Содержание к диссертации
Условные сокращения, обозначения объектов и величин, подстрочные и надстрочные буквенно-цифровые индексы, знаки. 6
Основные сокращения и аббревиатуры. 6
Обозначения объектов и величин. 6
Обозначения объектов и величин, принятые при введении систем отсчета. 6
Обозначения объектов. 7
Обозначения физических величин. 7
Подстрочные и надстрочные буквенно-цифровые индексы и знаки.
ВВЕДЕНИЕ. 43
Определение темы исследования.
Актуальность темы. 43
Цели исследования. 46
Задачи исследования. 48
Практическая ценность работы. 49
Общая характеристика работы. 50
Глава 1. Обзор и анализ существующих многомерных математических моделей клапанов
самодействующих пластинчатых полосовых поршневых компрессоров. 51
1.1. Математическое моделирование клапанов самодействующих пластинчатых полосовых поршневых компрессоров, в многомерной постановке задачи. 51
1.1.1 Двухмерная математическая модель клапанов самодействующих пластинчатых полосовых
поршневых компрессоров.
Модель пластины клапана как линейной системы приведенных масс. 52
1.1.2. Трехмерная математическая модель клапанов самодействующих пластинчатых полосовых поршневых компрессоров. 62
1.2. Выводы. 65
Глава 2. Разработка трехмерной математической модели клапанов самодействующих пластинчатых полосовых поршневых компрессоров. 68
2.1. Цель исследования. 68
2.2. Постановка задачи. 71
2.3. Этапы решения поставленной задачи. 71
2.4. Физическое описание процессов, определяющих изменение состояния пластин клапанов самодействующих пластинчатых полосовых поршневых компрессоров, с точки зрения теории упругости и пластичности.
2.4.1. Формулировка основной задачи, решаемой в теории упругости и пластичности, ее сравнение с задачами, решаемыми при рассмотрении движения пластин клапанов. 73
2.4.2. Основные понятия и допущения теории упругости и пластичности.
2.4.3. Основные понятия и гипотезы теории изгиба пластин. 79
2.4.4. Перемещения и деформации в пластине и их выражение через прогибы. 89
2.4.5. Напряжения внутренние усилия в пластине и их выражение через прогибы. 112
2.4.6. Уравнение движения элемента пластины. 121
2.4.7. Формулировка граничных условий. 130
2.5. Система уравнений дополняющих математическую модель ступени компрессора. 132
2.5.1. Система уравнений первого начала термодинамики для рабочего тела в цилиндре и в полостях всасывания и нагнетания ступени поршневого компрессора. 132
2.5.2. Анализ уравнения первого начала термодинамики для рабочего тела в цилиндре ступени поршневого компрессора на различных тактах его работы и режимах работы клапанов. 170
2.5.3. Система уравнений поверхностной нагрузки со стороны сил действующих на замыкающий элемент клапана поршневого компрессора. 187
2.6. Выводы. 189
Глава 3. Экспериментальные исследования характера движения рабочей пластины клапана
самодействующего пластинчатого полосового. 191
3.1. Цели экспериментального исследования. 191
3.2 Задачи экспериментального исследования. 192
3.3. Экспериментальный стенд. 193
3.4. Методика проведения эксперимента. 196
3.4.1. Запись диаграмм движения фрагментов замыкающего элемента клапана (пластины)
самодействующего пластинчатого полосового. 196
3.4.2. Фиксация положения «мертвой точки». 202
3.4.3., Определение частоты и угловой скорости вращения коленчатого вала поршневого
компрессора. 206
3.4.4. Анализ погрешностей измерений. 208
3.5. Результаты экспериментальных исследований и их анализ. 214
3.6. Выводы. 218
ЗАКЛЮЧЕНИЕ. 219
Общие результаты исследований и выводы. 219
Достигнутые цели. 220
Решенные задачи. 221
Практическая ценность работы. 223
Общая характеристика работы. 224
Библиографический список использованной литературы. 225
Приложение. 239
Программа расчета клапанов самодействующих пластинчатых полосовых поршневых компрессоров (язык программирования Turbo Pascal, версия 7.0).
Введение к работе
Актуальность темы.
Из общего парка компрессорных машин, классифицируемых на основании принципа действия, объемные компрессоры и, в том числе поршневые компрессоры, имеют наиболее широкое распространение в различных отраслях производства и непроизводственной сферы. К основным отраслям производства, в которых поршневым компрессорам находят применение, относятся: транспорт, строительство, пищевая промышленность, тяжелая промышленность, включающая в себя машиностроительную, энергетическую, химическую и другие отрасли промышленности. В непроизводственной сфере поршневые компрессоры используются в научных исследованиях, здравоохранении, бытовом обслуживании и коммунальном хозяйстве. По численности поршневые компрессоры составляют более 70% всего компрессорного парка России. Такое распространение поршневых компрессоров объясняется их возможностью сжатия рабочего тела, газа (использовано физическое понятие газа) в значительном диапазоне давлений от 1 МПа и свыше 100 МПа, а так же работы с различными газами (химическое понятие) и их смесями, в том числе воздух, имеющих широкий разброс параметров. К тому же поршневые компрессоры в сравнении с компрессорами других типов зачастую отличаются высокой производительностью, экономичностью, достаточной простотой конструкции, обслуживания и ремонта.
С другой стороны, при существующем распространении поршневых компрессоров, возрастают предъявляемые к ним требования в плане надежности и эффективности работы, так как «простой», малая эффективность работы последних или ее снижение приводят соответственно к большим потерям либо к увеличению затрат производственного и рабочего времени. При этом конструктивные недостатки, в основном снижающие качественные характеристики работы и конструкции машины в целом, во многом допускаются на стадии проектирования поршневых компрессоров.
Неотъемлемой частью поршневого компрессора являются клапаны -впускные (всасывания) и выпускные (нагнетания).
Самодействующие клапаны представляют собой наиболее ответственные узлы компрессоров, от совершенства которых в первую очередь зависят экономичность и надежность эксплуатации поршневых компрессоров, а также и перспективы их развития. Если учесть, что в самодействующих клапанах теряется до 20% энергии, затрачиваемой на привод компрессоров, то становится понятным, почему последнее время в области поршневых компрессоров особенно большой интерес проявляется к исследованию и созданию новых, более совершенных конструкций самодействующих клапанов.
Рабочий процесс поршневого компрессора во многом формируется и зависит от конструкции, расположения, числа клапанов в целом и их рабочих органов, а так же характера движения последних.
Перечислим основные особенности работы клапанов.
1. Рабочие органы клапанов (замыкающие элементы, упругие ограничители) обладают инерционностью движения.
2. Характер движения рабочих органов сложный, неустойчивый.
3. Клапан в целом и его части одни из наиболее уязвимых, менее надежных, часто ломающихся элементов конструкции поршневого компрессора.
4. Клапаны цилиндров компрессоров работают в тяжелых условиях: при ударных нагрузках с высокой цикличностью до 50 с (200— 3000 циклов в минуту), при высоких давлениях - до 350 МПа и повышенных температурах. 5. Вследствие того срок службы самодействующих клапанов невелик и является определяющим в уровне надежности работы компрессоров.
Укажем так же основные моменты влияния клапанов на рабочий процесс поршневого компрессора.
1. Конструкция, расположение, число клапанов во многом определяют величину «мертвого» пространства.
2. Клапаны дросселируют потоки рабочего тела.
3. Клапаны турбулизируют потоки рабочего тела.
Все выше указанные особенности клапанов в значительной степени определяют надежность и эффективность работы поршневого компрессора.
Есть основания полагать, что вопрос создания эффективных и надежных клапанов для поршневых компрессоров и далее будет оставаться одним из актуальнейших в направлении поиска новых конструктивных решений самодействующих клапанов.
Из общего класса клапанов самодействующих наименее изучены и исследованы, имеют наиболее сложный характер движения рабочих органов клапаны пластинчатые полосовые с упругим ограничителем подъема замыкающего элемента (пластины) и без него. Представленные клапаны широко используются в конструкциях поршневых компрессоров, обладают всеми перечисленными качествами и поэтому требуют более внимательного теоретического и экспериментального исследования.
На современном этапе, в связи с развитием вычислительной техники, преобладающее значение приобретает теоретическое исследование посредством математического моделирования. Математические модели, которым будут посвящены отдельные главы данной работы, представляют собой системы уравнений, описывающих моделируемые процессы. Система уравнений решается с помощью электронно-вычислительной машины при заданных начальных и граничных условиях. Для более точного описания процесса математическая модель должна базироваться на реальных физических соотношениях.
Математическое моделирование в настоящее время характеризуется все более полным учетом реальных физических явлений, происходящих в компрессоре. От полноты описания процессов зависит эффективность применения ЭВМ.
Актуальным остается проведение теоретических исследований процессов, идущих в клапанах самодействующих пластинчатых полосовых с упругим ограничителем подъема замыкающего элемента и без него, точнее, изучение характера движения их рабочих органов (замыкающих элементов -пластин), а так же создание полноценной и пригодной с практически точки зрения трехмерной (трехмерной в пространственном отношении) математической модели клапанов самодействующих пластинчатых полосовых.
Перечислим основные свойства трехмерной математической модели представленных выше клапанов.
Многомерная математическая модель обязана наиболее полно учитывать реальные физические процессы, идущие в клапанах, и отражать основные особенности характера трехмерного движения их рабочих органов (замыкающих элементов - пластин).
Математическая модель должна допускать ее совместное использование с другими многомерными математическими моделями, например, с моделями тепловых и газодинамических процессов поршневых компрессоров.
На основе построенной математической модели возможно создание математической и электронно-вычислительной программ, методики расчета клапанов самодействующих пластинчатых полосовых. Данные программы и методика позволили бы оценить эффективность работы, возможно, и надежность существующих конструкций клапанов самодействующих пластинчатых полосовых, а так же осуществлять выбор из рассматриваемых конструктивных вариантов клапанов наиболее перспективные.
Естественно, актуально и создание экспериментального стенда для исследования характера двухмерного движения рабочих органов (замыкающих элементов - пластин) клапанов самодействующих пластинчатых полосовых и экспериментальной методики.
Укажем основные качества представленного в данной работе , экспериментального стенда и методики.
Экспериментальный стенд, методика измерений обязаны отражать и фиксировать определяющие моменты двухмерного движения рабочих органов (замыкающих элементов - пластин) клапанов самодействующих пластинчатых полосовых, причем без значительного вмешательства в существующие через клапан потоки рабочего тела.
Проведение эксперимента в целом дает возможность оценить особенности двухмерных движений рабочих органов клапанов и провести проверку адекватности построенной трехмерной математической модели клапанов.
Цели исследования.
Основной целью данной работы является создание пригодной с точки зрения практического применения многомерной (трехмерной в пространственно-временном отношении) математической модели клапанов самодействующих пластинчатых полосовых поршневых компрессоров.
Основная цель данной работы предполагает последовательное достижение промежуточных целей в проводимых исследованиях.
1. Первоначальной целью является ознакомление с - работами (научно-технической литературой), которые посвящены исследованию и моделированию поршневых компрессоров в целом, так и моделированию клапанов ПК, в частности моделированию клапанов самодействующих пластинчатых полосовых. Достижение первоначальной цели в проводимых исследованиях позволяет выявить достоинства и недостатки существующих моделей клапанов, и определение пути их совершенствования.
2. Следующей целью является теоретическое исследование процессов, идущих в клапанах самодействующих пластинчатых полосовых и в поршневом компрессоре в целом.
Достижение указанной цели приводит к созданию пригодной с точки зрения практического применения многомерной (трехмерной в пространственно-временном отношении) математической модели клапанов самодействующих пластинчатых полосовых поршневых компрессоров.
3. Завершающие цели, это цели экспериментальных исследований клапанов и поршневого компрессора в целом: стендовых исследований и цели достигаемые методами численного моделирования с привлечением электронно-вычислительной техники.
3.1. Целью стендового экспериментального исследования в настоящей работе является экспериментальное определение характера движения (законов движения) рабочей пластины (замыкающего элемента) клапана (в эксперименте всасывающего) самодействующего пластинчатого полосового.
3.2. Целью численного моделирования поведения исследуемого объекта (в данной работе - клапанов поршневых компрессоров, точнее - их замыкающих элементов (пластин)) является получение полей перемещений (законов движения в геометрическом пространстве), деформаций и напряжений для замыкающих элементов (пластин) клапанов самодействующих пластинчатых полосовых поршневых компрессоров. 3.3. Итоговой целью экспериментального исследования является, проведение сравнительного анализа результатов, которые получены в ходе стендовых исследований объекта с результатами его численного моделирования. В свою очередь, сравнительный анализ результатов, которые получены в ходе стендовых исследований объекта с результатами его численного моделирования, позволяет установить адекватность модели действительности, выявить несоответствия, и позволяет получить методы оптимизации" конструкций существующих пластинчатых полосовых клапанов ПК и выработать рекомендации к проектированию новых клапанов.
Задачи исследования.
Для достижения основной и промежуточных целей, проводимых в данной работе исследований клапанов самодействующих пластинчатых полосовых поршневых компрессоров, необходимо было решить следующие задачи.
1. Первоочередной задачей является проведение обзора и анализа существующих работ, представленных в научно-технической литературе и посвященных моделированию поршневых компрессоров в целом, так и моделированию клапанов ПК, в частности - моделированию клапанов самодействующих пластинчатых полосовых. Необходимо выявить достоинства и недостатки существующих моделей клапанов и определить пути их совершенствования. 2. В ходе теоретических исследований поршневых компрессоров в целом и их клапанов в частности необходимо создать многомерную (трехмерную в пространственно-временном отношении) математическую модель клапанов самодействующих пластинчатых полосовых ПК. 3. Для достижения целей, которые поставлены перед экспериментальными исследованиями клапанов, следует решить следующие задачи.
3.1. Необходимо собрать экспериментальный сгенд на базе исследуемого поршневого компрессора, датчиков и измерительных приборов, отладить его работу.
3.2. Следует провести стендовые экспериментальные исследования, получив в качестве результатов законы движения замыкающих элементов (пластин) клапанов в графическом и в виде таблиц и явном виде.
3.3. Необходимо «построить» прикладную математическую программу и программу для ЭВМ.
Представленная в данной работе трехмерная математическая модель клапанов самодействующих пластинчатых полосовых поршневых компрессоров решается одним из численных методов. Для ее решения предполагается использовать метод конечных разностей (МКР).
3.4. Следует провести численное моделирование клапанов посредством ЭВМ.
3.5. В завершении экспериментальных исследований необходимо провести сравнительный анализ результатов, которые получены в ходе стендовых исследований объекта с результатами его численного моделирования, который позволит установить адекватность модели действительности, выявить несоответствия, и получить методы оптимизации конструкций существующих пластинчатых полосовых клапанов ПК и выработать рекомендации к проектированию новых клапанов.
Практическая ценность работы.
Трехмерная математическая модель клапанов самодействующих пластинчатых полосовых, соответствующие математическая и электронно-вычислительная программы, методика расчета представленных клапанов позволят проводить теоретические исследования движения пластин клапанов и вырабатывать рекомендации по эксплуатации существующих конструкций последних, а так же разрабатывать новые клапаны.
Собранный в ходе работы экспериментальный стенд позволит исследовать двухмерные движения замыкающих элементов клапанов самодействующих пластинчатых полосовых.
Результаты проведенных исследований предполагается использовать в учебном процессе на кафедрах высших технических учебных заведений и в прикладных инженерных расчетах клапанов самодействующих пластинчатых полосовых поршневых компрессоров.
Общая характеристика работы.
Работа состоит из: введения; списка условных сокращений, обозначений объектов и величин, подстрочных и надстрочных буквенно-цифровых индексов, знаков; трех глав; заключения; библиографического списка использованной литературы; приложения.
