Совершенствование поршневых компрессоров высокого давления для химической технологии и автотранспорта Роговой, Евгений Дмитриевич

Введение к работе

Актуальность решаемой проблемы обусловлена значительной зотребностыэ многих химических производств в бессмазочнчх компрессорах, поскольку эти машины незаменимы при сжатии агрессив-шх, летучих, взрыво- и пожароопасных газов, так как обеспечивает их чистоту и могут эксплуатироваться а -чироком диапазоне тем-тератур (от минусовых до ^100 С).

На базе бгесмапочных г.оопневых компрессоров возможно такие свидание современных автомобильных газонаполнительных станций, оскольку при этом исключаются замасливание компркмируемого газа * связанное с этим существенное снижение эксплуатационных зарак-«чистик двигателей автомобилпй. Таким образом, применение бес-гмапочных компрессоров позволит решить задачу экономии жидких нефтяных топлкв, вследствие замены их природным газом и проблему іапкта окружавшей среды, вследствие уменьшения количества вредных выбросов с выхлопными газами автотранспорта.

Однако в настоящее время кет надежной конструкции таких машин. Это связано в первую очередь с тем, что работоспособность поршиевых бессназочлыж компрессоров во многой определяется на-дежногтьо работы уплотнения. Попытка использования бессназочгыа уплотнений из жестких натерїіалов (графнтопластиковых, текстолитовых и др. ), разработанных для компрессоров низкого si среднего давления, показала их низкую эффективность в условиях работы ПКЯД, когда происходят резкий разогрев уплотнений и разрушение антифрикционного материала. В этой связи необходимо проведение специальных теоретических и.экспериментальных исследований с целью выявления влияния различных режимных Факторов на процесс работы бессназочно-го уплотнения штока в компрессоре высокого давления.

Весьма актуальной является задача разработки инженерной че-годики расчета температурного состояния деталей многоэлекентного уплотнения штока, а также создание математической нодели глбочего юог.есса бессмазочного уплотнения с /четом закономерностей течения '"аЗА теплообмена, термонапряяенного состояиил детален сопряжении, гидгпдиялмикм протечек в микроэазорах сопряжений.

Одной из причин, прелятстяугчдлз: cri^wvx) а коротаете сроки

современных автозаправочных станции, является также полное отсутствие в стране технических разработок таких станций в блочно-кон-тейнерном исполнении (ЕКИ).

В связи с изложенным целью работы являлось:

1. Создание и освоение серийного производства бессмазочного
ПКВД высокого технического уровня.

2, Изучение основных закономерностей рабочего пропесса бес-
смазочного уплотнения штоков ПКВД с использованием новых компози
ционных материалов к создание методики их расчета, позволяющей на
стадии проектирования предусмотреть рациональную конструкцию уп
лотнения.

Для достижения поставленной пели решали<> следующие задачи:

комплексный анализ Физических процессов, протекаюаих в бес-смазочион уплотнении (НУ), разработка структурной схемы и математической кодели БУ, составление програнны и проведение численного, эксперимента на ЭВН с целью разработки рекомендаций по проектировали» БУ ПдВД;

создание стенда на базе ПКВД для проведения исследований по изучению основных закономерностей рабочего процесса в уплотнении бессмазочной машины на давление до 25.НПа;

проведение серии экспериментов для определения контактных температур в зоне трения предложенной конструкции НУ ПКВД и определение коэффициентов и зависимостей, необходимых для математической модели;

проведение эксплуатационных испытаний БУ ПКВД на базе компо-зззтоииых полимерных материалов для определения их работоспособности в данной наткне;

разработка технического и рабочего проекта АГНКС БКИ-г50.

Нетоды исследований

В процессе теоретических и экспериментальных исследований автором изучены и обобщены результаты научных разработок в области теплообмена к гидродинамики потоков в уплотнительных элементах, ТреНИЯ, ФИЗИКИ МеХаНИЧеСКИХ И ТрИбОТеХНИЧеСКИК СПОЙСТ1І

уплотиіггельного материала, динамики износа, кинетики взаимодействия кикроконтактов сопряжения.

При разработке и исследовании бессмазочиого уплотнения ТТКВД испельэован системний подход к изучению всех значимых Факторов, блийкжкя на исследуемые параметры. Эксперименты осушест-

- г -

влялись путем реализации разработанных обшей л «летных методик проведения теоретических и экспериментальных исследований. Исследования проводились на зксперіиентальном стенде на базе компрессора 4ГИ2, 5-1, 2/10-250, а затем на серийных компрессорах того se типа.

На зхсперіїментальном стенде проведены комплексные исследования по изучению основных закономерностей рабочего процесса бессмазочной маигош. При этом контролировались объемные утечки через уплотнителыгае элемен.-i, температура в зоне контакта гатоков с уплотлительнкми элементами, распределение контактных температур по элементам уплотнений, определялась интенсивность тепловых, потоков по штоку и корпусу уплотнения.

В експериментах применены современные методы исследований и контроля. Ведение эксперимента, контроль параметров и.предварительная обработка данных осуществлялись с помоиыэ управляющего вычислительного комплекса на базе УТГІ СК-2К. Проводились измерения температуры Есасызакия и нагнетания газл. озлаздаюгей жидкости, давления всасывания и нагнетания по ступеням мастны, температуры наела а картере и целого ряда другій параметров. Всего контролировалось и обрабатывалось 140 точек измерения. Результаты экспериментов обработаны на ЭВН методами математической статистики.

На серийных компрессорах проверялась работоспособность разработанных рациональны? конструкций эленентон уплотнения.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается большим объемом экспериментальных исследований п лабораторных и премшзленпах условиях, озшатывасганБ ясе познохные резины работа упяотаитеяьиыя устройств, всесторонней прокшшеннаи апробацией результатов исследований на серийных компрессорах в составе станции АГНЗС БК1:-250.

На запзтту выносятся:

- новая конструтст'я уплоткительного узла бессмазочного орітіє-
вого компрессора; ,

основные закономерности рабочего процесса в многоэлементных <>ессмаэочныя уплотнениях ПКВД;

методика доводки и совершенствование углов уплочтеняя ком-ааессоров без смазки;

математическая модель рабочего пролегел ч уплотнительных уз-

>ілх tit*сстлазочного ПКВД;

методика расчета контактных температур в зоне трения уплотни-ге-е-оного узла;

кгитерик выбора уплотнительного материала, в зависимости от теилокассообменных процессов, протекающих в БУ.

Представленная работа является комплексной и выполнена на --тыке двух специальностей.

Основной является специальность 05.17. 08 - процессы и аппараты химической технологии, поскольку изучение основных законо-чериостей процессов теплонассообмена и гидродинамики, лежащих в основе рабочегг пропесса бессмазочных уплотнений ПКВД. позволило реиить главные задачи исследования: определить критерии выбора уплотнительного материала, разработать рациональную конструкцию бессназочного уплотнения и математическую модель рабочего процесса КУ ПКВД.

Второй является специальность 05. 0. Об - вакуумная и компрессорная техника, пневмосистемы, т. к. результаты первой части исследования положены в основу разработки методов доводки и совершенствования узлов уплотнения компрессоров без смазки; повышения технического уровня производства и совершенствования компрессоров высокого давления с бессмазочными уплотнениями; принятие оптимальных технических решении по вопросу создания АГНКС.

К а у ч и г я яовиэна

Впервые проведено комплексное исследование работы много-зленентного бсссназочного уплотнения ПКВД на базе новых композит онкых полинерных материалов (карбопластиков) на различных режима: выявлены основные закономерносі-и рабочего процесса. Установлены ; экспериментально подтверждены критерии выбора уплотнительного на териала, определяющиеся главным образом процессами тепломассообмена и гидродинамики в узле трения: средней поверхностной температурой трения колец, величиной температурной пенытаки, пределон экструзионной прочности,- зависящем от температурної.' состояния и нагрузки на элемент.

Разработана математическая модель рабочего процесса бессма зочнего уплотнения, основанная на принципиально новых представлю яиях о механизме происходящих в уплотнении тешюмассообменних процессов. Экспериментально определены константы математической модели.

Практическая ценность

Получены расчетные соотношения и разработали рекомендация іеобходккне для проектирования многоэленентныя бессмазочных та-готнений штока поишневых компрессоров высокого давления. Разрдбо гала рациональная конструкция элемента бассказочных уплотнений іля компрессоров 4ГИ2. 5-1,2/10-250. Прєдлої? іа методики доводки и говеряенствования узлов уплотнения компгессоров без сказки. Разр.і-5отал пакет программ для ЭШ, позволяющий создать элементы САПР яд л грибоуплотнителъных систем порпневкя кочпрпссороп без подачи сказки.

Реализации и промышленное г к

Предложенные методы разработки, освоения и ускоренного внедрения серийной продукции, оперативного управления созданием но- _ вой техники и технологической подготовкой производства ВНЄДРЄШ-иа Сумскон машиностроительном ІШ0 им. Фрунзе при создании специализированного производства по выпуску серийной продукции. Под руководством автора для АГНХС разработана конструкция компрессора, работающего без смазки. Конструкции бессназочкых уплотнитель-иых узлов внедрены на компрессорах 16, 25 я 40-тонных баз АПШС. Экономический эФФект от внедрения состанил 4 млн. рублей.

Апробация работы '

Результаты исследований докладынались на 1-й Всесоюзной научно-технической конференции по наделяоети оборудования, произ-водо"' пеннъгз и автоматизированных систем в химических отраслях проныяленности (г. УФа,- 1987г. ), на V Всесоюзной натчло-технкчес-ком совеваяин по уплотнительной технике (г. Сумы, І^бЗг ), на VIII Всесоюзной иаучно-техническій конференции по компрегсоро-строянкю-(г. Сумы, 1989г.).

Основное содержание работы изложено в 25 публикациях.

В настояпем научном докладе излагаются результаты комплекса научно-исследовательских и конструкторских разработок, выполненных при .непосредственном участі и под руководством автора или лично автором.

3 разделе 1 приведен теоретический анализ процессов з уплотнении ПКВД из полимерных композиций и описаны осэ5смно".ти предложенной математической модели.

Раздел 2 посвяпен экспериментальным исследоваии-н рнъотч предложенных конструкций EV ПКВД и сравнении теоретич"';"*'.* < опытных лаліпгя.

В разделе 3 предложен метод расчета бессмазочных уплотнений ргпработалных конструкций и результаты численного исследования на эвк.

В разделе 4 обобщены результаты эксплуатационных испытаний спроектированных и используемых уплотнений, основные выводы и результаты научных исследований.

Компрессорная установка АГНКС, на которое проводилось экспериментальное исследование новых ушютнительяых элементов из полимерных материалов, включает в себя 4-ступенчатый 4-рядный поршневой компрессор на оппозитной базе производительностью 12,3 нмЗ/мин, давлением всасывания 10 атм,' давлением нагнетания 250 атм и мощностью двигателя .132 кВт.

Первая и вторая ступень имеют по одному цилиндру двойного действия диаметром 140, и 95 мм, третья и четвертая - два цилиндра диаметром 52 им, конструктивно совмещающих в себе обе полости нагнетания в кахдом цилиндре.

Сальниковые уплотнения находятся на первой, второй и четвертой ступенях, причем на первой и четвертой ступенях они состоят из 9 уплотнителыгах элементов, расположенных, в трех и пяти сальниковых камерах соответственно. На второй ступени уплотни-тельиые элементы располагаются в четырех сальниковых камерах. .

Теоретическое описание процессов, протекающих в нногозле-иентном уплотнении поршневого компрессора, определяв гея кинетикой взаимодействия нихрокоятактов в вероховатон подвижном сопряжении, характером протечек газа, теплообменом между деталями трибоушютнительного узла и контактной температурой в зоне трения, а также свойствами антифрикционного материала уплотнительных элементов, физические особенности указанных явлений во многом зависят от типа антифрикционного материала. Существующие методики расчета иногозлементного уплотнения применимы для достаточно жестких материалов ^углеродные граФитированные пористые и пропитатше, граФитбаластовые, текстолитовые и др. ). В этом случае -Фгагасс-математическая модель рабочего процесса строится на

предположении прекмуаественно пластического характера деформирования мккроконтгктов сопряжения, незначительного влияния взаимного движения трущихся поверхностей на протечки газа, возможного пренебрежения упругостью антифрикционного натриала и его реологической вязкостью, а также слабого влияния контактной температуры в зоне трения (обычно этот параметр не Фигурирует в расчетах) На Физико-механические и триботехнические свойства. Существующие модели не позволяют сформулировать критерии работоспособности применятихся антифрикционных материалов.

Анализ опыта эксплуатации уплотнительных систем ГГКВД без смазки показал-наиболее высокую перспективность использования з качестве утшотн-.телъных элементов полимерных композиций и, осо- бенно, антифрикционных карбопластиков. Своеобразие свойств полимерных композиций (зависимость Физико-неханических и триботехни-ческих характеристик от температуры, сушественное проявление реологической вязкости и особенности соотношения твердости к жесткости) , предопределяющих Физику явлений в шероховатых подвижных сопряжениях, требует создания принципиально нового подхода в описании рабочего процесса нногоэлекентных уплотнений ГГКВД (рис. I).

Проведенный анализ кинетики контактирования подвижного сопряжения "полимер-стальное контртело" показшзлет, что деформации на иикрокоитактах носят лреимуиествечно упругий характер, а взаимное перемеиение трудахся поверхностей в силу реологические вяз-коупругих характеристик полимеров обусловливает протечки газа через сопряжение и определяет значение контактных напряжений в уплотнении.

построение замкнутой системы уравнений, пригодной для моделирования рабочих процесов в уплотнительшіх система* ГГКВД, требует также нахождения температур деталей, образующих камеру переменного объена. Решение этой задачи распадается на задачи, связанные ,с оценкой интенсивности теплообмена на внешних поверхностях камеры переменного обьема и с определением собственно температур поршня, штока, втулки, крышки, уплотнительных колец и т. д. Граничные условия передачи теплоты уплотнительных колец язляются одним из определяющих для расчета температурного состояния деталей узла уплотнений.

Для правильного определения разнеров уплотнительных колец при проектировании необходимо учит.лзать их действительную тємпе-

л :тп

1 -Pi

рис.1

Расчетная схема

Технические характеристики ТУС

0,3 j р

п ? \

400 500 600 t_r,K рис.2

0.1

Е, МПа

<З_с;нВ,МПа М0І 80

рис.3

- в -

ратуру в рабочих условиям и коэффициента линейного расширения материалов поршня, штока и цилиндра, а тахяе тєі-моФрикционную характеристику материала уштоткктельных колец (рис. 2>.

Установлено, что процесс теплообмена газа с деталями уплотнения в значительной степени зависит от обшего перепада давления на уплотнении к его распределения по отдельным кольцам. Величина внешних утечек газа более всего зависит от числа колец, среднего перепада давления на уплотнении, зависящего, в свою очередь, от гсавлепия газа з рабочей полости и противодавления за уплотнением, а также от плошали проходных сечений в пестах неплотности колец.

Теплообмен в зоне контактирования трущихся деталей поршневого компрессора является составной частью обшего процесса тепломассообмена в рабочей камгре поршневого компрессора. Однако су-иествугяшг до сих пор методики расчета бессмазочных поршне^- ых уплотнений опираются, в основном, на процессы контактирования, трения и, в какой-то степени, течения газа, не учитывая температурного состояния деталей многоэлементного уплотнения штока конпрес;ора.

Кеаду тем, температура в зоне трения, определяющая свойства антифрикционного полимера, является основным критериен работоспособности уплотнительной системы. Так, для Флубона 15/50 рабочий интервал температур составляет 100-250 С. Снижение температуру по отношению к рабочему интервалу приводит к росту коэффициента трения f. Повшаениз температуры - к экструзии полимерного материала за.счет появления пластичности и росту износа. Следовательно, контактная температура t в зоне трения является определяющим критерием работоспособности рассматриваемого узла трения (рис. 2,3).

Расчет контактной температуры ноэможен путем создания математической модели рабочего процесса, наиболее полно отрагагяей указанные.Физические особенности явлений, и построения инженерной методики расчета многоэлементных уплотнений ПКВД без подачи смазки.

Интенсивность разогрева деталей в зоне трения, величины и характер тепловых потоков определяются моделью двизтзегося теплового источника за счет генерируемой мощности трения и энергетическим балансом процесса трения.

Численные значения критерия Пекле, характеризующего интен
сивность двихеьия теплового источника:
Ws 1 2 5
р _₁₀ ... 10 (1. 1)

¹ а

- о -

где Ws - скорость скольхения; 1 - характерный размер; а - температуропроводность иеталн, позволяют использовать модель быстро-движущегося полосового источника. Поэтому с высокой точностью справедлив принцип суперпозиции для температуры в зоне трения і-го элемента:

где х_л - средняя поверхностная температура в зоне трения; v^ -избыточная температура поверхности.* связанная с движением источников и остыванием свободной части штока (гильзы цилиндра); t^d температурная вспыжа на контактирущих никровчступах сопряхсіші Анализ решения задачи Фурье для быстродвижущегося поло ов< го источника ч с нулевыми граничными условиями показывает малую тхжзину нестационарного прогрева на поверхностях детали и возможность определения поверхностной температуры t в стационарном приближении из энергетического баланса. Предлагается избыточные температуры в зависимости (1.2) определять по Формуле:

й,Г

і - -*а,г г——і

³ -ч. ,_

(1.3)

Здесь Т_{а f}- вреня действия полосового источника ч на выделенной площади поверхности трения.

Энергетический" баланс в зоне Трения позволяет найти темп ратуру t_a :

Us '= ^Oi * й і m ⁺ 2. ^{VA (1, 4)}

1 fU n

¹ Ґ^и " r-

где Us = --- V ( 4. ) (2 *i ^p/ci^A: > ^d^- " моші'ость ТРЄ1ІИ5

к; контактное давление и 1-ом элементе; Лі - номинальная площадь 1-го элемента в сопряжении; QJ - тепловой поток в і-ю петель трения; Д і - избыточная энггльпия газа, протекающего через у

отнение; и - массовые утечки; 5*W_R " ^сумна энергий, затрачива-

кых на структурные изменения поверхностного слоя, на разрушение [икронеропностей и us деФорккровалие it т. д. Анализ грибоуплотнн-ельиой скстег і показывает незначительность вклада третьей состан-гаюиеЛ э балансе (1.4).

Расчет контактной температуры з данной постановке долхен іазиговаться на известных механизмах контактирования, течения в аероховатом сопряжении и трения. Анализ теоріт контактирования и >бобшение опытных данных, приведенных в литературе, позволяет зрогнозиронать относительную плошадь контакта в виде модифицированного уравнения Бартенева-Лаврентьева

_4-І

f² [ і - exp (-SP. р_к/ Е^/Д*П (1.5)

где P - параметр реологической вязкости полимера, зависящий от соотношения прекеии контакта %\ - ( d_r: / W3 ) на j-om микрофон-такте и времени релаксации <, « = (/<«/ Е ); d - средний диаметр пятна контакта; а_р - реологическая вязкость; Д = (RmaxV <г>) -критерий шероховатости; Нвэх я <г> -максимальная высота уступа пер.ояоязгости я радиус .закругления я!Жровыступоп.

Из аналогичной ззенсїзіости для относительного с&пкеготя 6= (у / Язах) следует вид опорной кривой (рис. 4)

\

-- 1 - (1 -ІУ (1.6)

где ^ - параметр опорной кривой (для нормального распределения высот сер'охопатост» 'У- 1/5).

При скольжении поверзностея (за счет дннхеяия порпня или ігтокл и торцевого их биения) паракетр Р резко снигается и поэтому появление сквозных никрозазороп п сопряжении позволяет -.-ололь-зозать гидродинамический подход в описании протечек газа к увести понятие -кззтвалентиого гидравлического зазора

h = Rsas

\

Л - Ц (2)) d2/(l -П ) (1.7) - 1) -

Баланс сил,, действтааих на ушютнительвый элемент,

PR = Ра - (1 - Л ) -

р(х) dx (1.в>

и значение критерия Рейнольдса газовой пленки в эквивалентной зазоре (лапидарность и "ползучесть* -течения газа в сопряжении) позволяет искать решение в изотермическом приближении

д 3 ^{і hp р}

№ fa 2 XZJJL Э*

Здесь Pa - номинальное давление на элемент; v (s, Т) - текущее давление газа в зазоре.

Решение системы (1.5) - (1.9) в квазистационарном приближении (длина уплотнительвого элемента намного меньше хода поршня или штока) позволило найти распределение'давления газа в зазоре р(х), утечки газа m и замкнуть баланс (1.4! для расчета контактной температуры.

їеоретическиА анализ кинетики контактированияг течения, трения и теплообмена для единичного элемента, проведенный с Поповы» представленной *изико-натематнческой иодели, позволяет сде-, лать следующие выводы:

1. Контактная температура в зоне трения определяется прежде всего пропессаии теплообмена между материалом аггока или поршш и сжимаемым газом, а также величиной температурной вспышки.

2. На никроконтактах преобладают упругие дефорнаяии, и пояі дение пластичности связано с недопустимым температурным разогревом полимера за счет трения.

і 3) Фактическое напряжение (5у, на микроколтакте, обусловливавшее работоспособность сопряжения, зависит от нагрузки практически только через контактную температуру tr и определяется свойствами полимера и шероховатостью поверхностей:

G>_r-N^/6P (tr> (і.Ю)

4) Характер распределения давления Р(х) газа в зазоре в ^чзна-чительной степени зависит от взаимного скольжения трущихся поверхностен. При скоростях Уз и шероховатостях Л приработанных поверхностей, характерных для ПХВД, влияние взаимного скольжения на среднее давление газовой пленки <р> и протечки п становится доминирующим.

Для определения Фкзико-неханичеехиж и трнботехнических ха-раотернстнх применяемых антифрикционных материалов, типа контактирования, реологии материала в зависимости от времени михрохон-тахта, возможности применения гидродинамического подхода для подвижных шероховатых соединений, выявления плияния контактных температур и нагрева материала на его работоспособность созданы стенды для моделирования Физических процессов, протекающих в уплотпи-тельион узле.

В результате серии проведенных экспериментов были получены новые данные, характеризующие механизм контактирования трущихся поверхностей и доказывающие возможность гидрод.ламического подхода описания процесса, а тагасе значения»,величин* определяющих трнбо-технические и Физико-механические характеристики материала {рис. 2,3). Полученные экспериментальные данные о кинематическом воздействии микроконтактов в шероховатом подпиююи сопряхеним, характере протечек газа позволяют раскрыть Физические особенности работы трибоуплотнительного узла и показывают перспективность использования в качестве уплотнительных элементов ПКВЛ полимерны* композиций, я частности, антифрикционных карбопластиков.

Необходимость изучения основных закономерностей рабочего иропесса EV ПКПД на базе новых композиционных материалов к разработки методики их расчета потребовало создания второго стенда на базе компрессора 4ГМ2, 5-І,2/10-250. На данном стенде был проведен комплекс научно-исследовательских работ по изучению основных закономерностей рабочего процесса бессмлзочной млякнн. В процессе иссчедопанкй замерялись объемные утечки через уплотвитель-

ные элементы» температуры в зоне контакта штоков с уплотнигельны-ми элементами, распределение контактных температур по элементам уплотнений, характер распределения температуры в уплотнительных" элементах, определялась интенсивность тепловых потоков по штоку и корпусу сальникового уплотнения. На стенде было ;роведено ин-дипирование ступеней компрессора с одновременной записью распре-, деления давления в камерах сальникового уплотнения, определялась мощность на валу конпрессора. Ведение эксперимента, получение данных и их предварительная обработка осуществлялись с помощью управляющего вычислительного комплекса на базе УВК СК-2ІЇ. Данный

комплекс проредил измерения температуры всасывания и нагнетания

газа, охлдхдаюшеи жидкости, давления всасывания и нагнетания по

ступеням машин, температуры масла в картере и целого ряда пара-' метров. Всего контролировалось и обрабатывалось во время эксперимента 140 точек измерения. Результаты экспериментальных дамных были обработаны методами математической статистики. Проверка надежно'^- полученных результатов осуществлялась по критерии Стъ»-дента для доверительной вероятности О, 95.

Согласованием опытных данных с результатами численных расчетов на ЭВМ удалось построить метод расчета мнегоэлемептного уп-лоті.ения ПКЕД без смазки, адекватный реальным гроцессан. протека-спич в рассматриваемой трибоуплотнительной системе.

На основании теоретического анализа и исследогздпй установу лено следуЬпге:

1. Величина температурной вспышки и_г зависит главиш обра
зом от свойств антифрикционного материала, ки..еткки контактирова
ния и характеристик поверхностного слоя трения. Для расчета (7_Г
впервые получена зависимость: о

г*де, г' - коэффициент Формы пятен михроконтактоп (4^1,0), а индексы 1 и 2 соответствуют элементам пары трения.

2. Разница между средним- температурами втока и колеп { ї'аі) ,«.
составляет при использовании Флубона 15/20 примерно 2.. . 5С. .Та
кие или чуть меньшие значения получены расчетом для температурной
вспышки i/_rl. С ростом кесткости (Е) уплотиительного материала ве
личина V_rl существенно возрастает и пая граФелона составляет де
сятки градусов.

- \Ч -

3. Распределение тепловых потоков из зоны трения примерно составляет: в сжимаемый газ - 16. ..г\ъ. в картер - 11...14. їі систему охлаждения - 63... ТО*, с утечкой газа - до Г/. . Обнаружен эффект значительной интенсификации теплоотдачи н межкольпевш объемах (.»20.. . 30). Поэтому, несмотря на пренебрежимо малий от-

г

вод теплоты через уплотнительные кольца (доли процента), через монтажный зазор в систему охлаждения отводится до 70Z теплоты трения.

Полученные Данные использованы длг определения корректкру-юпмх коэффициентов и зависимостей, необходимых для проведения серии численних экспериментов Яа ЗИМ с целью разработки рекоменяа-пий по проектированию БУ ПКЯЯ.

г 3. ИССЛЕДОВАНИЕ РАБОТЫ БЕССМАЗОЧНЫХ

УПЛОТНЕНИЙ ПКВД С ПОМОЩЬЮ математической модели

Анализ предложенной математической модели покалывает, что
контактная температура tr, определяющая работоспособность уплот
нения, зависит от среднего контактного давления <ГК> в уплотнении
и максимального контактного давления max РК1 на отдельном элемен
те, определяющем температурную вспышку и_Гі и нестационарный всплеск
температуры при движении полосового источника V_ai . Поэтому для та
бора аятифр/кционного полкнерного композита ; ія уплотнительных
элементов и проектирования уплотнении ПКВД необходимо прежде лсе-
го знать предельные распределения давления газа по ходам п меж
кольцевых объемах при установившейся работе компрессора. Это по
зволяет опенить величины <РК> и max <РК> из услопия стационарнос
ти утечек за цикл через 1-й уплотнительныи элемент:
, % _Г2Я

т; (Ч>) df) = const (3. 1)

Г n_L (Ч'ЬсіЧ'*

^ = — (

О' 'л

где m-_t f¹?) - массошлй расход газа через i-e уплотнение, ветстпуияий углу Я⁷ поворота коленчатого пала.

Кпазистапиоларнос решение системи (2.5) - (?.9) позволяет искать значение величины ст ;_ гЧ⁷) в пиле.

n m - So р

Ш ( ) - <1-P) : SO-X (3.2)

So ra - So

? где m - относительный расход; So = (б и. l UK / h p ) - критерий ЗокиерФельда газовой плевки; р = (р/р^); pj - давление газа на входе в зазор; х = (х/1); 1 - длина уплотнительного элемента.

Програмна, разработанная на ЭШ СН11-20, позволяет определять с помощью расчетных зависимостей математической модели расходы газа на положительных (зн^ки расхода за счет градиента давления расходов противоположны) ходах поршня или штока, а также прогнозировать основные характеристики рабочего процесса в много-элементном уплотнении ПКВА

Нашинньг'і эксперимент проводился по классической схеме для дохимаюшей ступени компрессора. Пои этом независимо изучалось влияние давления нагнетания Рн, шероховатости трущихся поверхностей R_a, числа г и длины 1І колец в уплотнении, интенсивности охлаждения БУ t%v)> скорости скольжения VK, вида антифрикционного нгтеркала и других определяющих процесс Фактерон. Установлено

следующее:

1. Герметичность уплотнителытан элементов с перекрытыми стыкани высокая. При давлении нагнетания Рн = 25 НПа и z = 3 относительный (от цикловой подачи) расход протечек G для приработанных поверхностей (Rz/2⁼ 1 ккм) не превышает 1.

2. Относительные потери за счет трения в БУ составляют 5. ..7*.

3. Уменьшение длины 11 уплотнителышх элементов⁴ снижает контактную текпераіуру tr и мощность трешя Уз. При этом незначительно возрастают износ I (относительная величина изнашивания I - їй H/Wk *Ср)") и утечкк гяза через уплотнение G (рис. 5).

4. Наиболее благоприятным для работоспособности БУ ПКВД является увеличение числа достаточно узких колец (li = б₀ . 8 мм) в уплотнении (р.х. 5).

5. Критериями выбора уплотнктельного материала, определяющими надежность и долговечность работы уплотнител- ныя элементов, являются средняя поверхностная температура трения ta I колец, ве-

Механизм контактирования полимер-твердое контртело"

о

0,5

5ИС.4-

І

1*10

1,0

0,5 О

Результаты численного ' эксперимента на ЭВМ

_г, ^аС W₅, кВ: 250 !

! 1.5

150 !
I \ 1,0

U,''

1,мм

рис. 5

личина температурной вспышки 1/_г и предел экструзионной прочности 1_дк , зависящий от температурного состояния и нагрузки на элемент. Величина ta'i, зависит от коэффициентов теплопередачи Кг, Кг, Kw соответственно а газ, картер и систему охлаждения, и определяет величину трения f и ношность трения уплотнения W3 (рис.5).

б. Разработанный пакет программ для ЭВИ позволяет подойти к созданию элементов САПР для трибоуплотпительшк систем поршневых компрессоров без смазки.

4. ПОВЫШЕНИЕ ТЕХНИЧЕСКОГО УРОВНЯ ОБОРУДОВАНИЯ АГНКС-

По результатам исследований работы бессмазочных уплотнений ПКВД с помошью математической модели были разработаны и изготовлены конструкции эленентов уплотнения, которые прошли испытания на стенде компрессора 4ГН2, 5-1, 2/10-250 в течение 500 часов для

определения их работоспособности. і

В зависимости от надежности и долговечности испытанных уплотнений разработаны рекомендации по проектированию конструкций ПКВД из антифрикционных карбопластиков.

Изготовленные по разработанным рекомендациям оптимальные конструкции элементов БУ ПКВД после нногократнрй проверки на стенде были установлены на серийных компрессорах 41712,5-1,2/10-¹ -250, входящих в состав станций АГНКС ВКИ-250.

В результате проведённых испытаний опытного образца ПКВД произведена корректировка технический документации и разработан оперативный график изготовления опытной серии подобных компрессоров.

Уплотнительные узлы ПКВД, разработанные по результатам проведенной под руководством автора работы, внедряются в настоящее время на компрессорах 18-ти, 25-ти и 40-тонных базах с целью проведения последующих промышленных испытаний.

На основе результатов исследований и опытно-конструкторских проработок созданы -и -рчедрены:

1. Экгтриментапьний стенд на; базе компрессора 4ГМ2,5-1,2/ >0-2Т,0 по изучению основных характеристик бессмазочного уплотне-

ЇШЯ,

2. Методика доводки и совершенствования узлов уплотнений поршневых бессмазочныя компрессоров высокого давления.

3. Рекомендации по проектированию многоэлементных бессказочных уплотнения ПЗШД на базе перспективных антифрикционных материалов с использованием полученных расчетных соотношений.

4. Нетоды расчета контактных температур в зоне трения и их зависимости от основных конструктивных.и эксплуатационных характеристик уплотнительного узла ПКВД.

5. Опытный образец компрессора 4ГК2,5-1,2/10-250, снабген-ный бессмазочными уплотнениями новых конструкций. Освоен серийный быпуск автомобильных станций АГНКС БКК-250 и АГНКС-320, оснашепных этими компрессорами.

Экономический зФФект от внедрения результатов исследования и разработок, выполненных на их основе, составит не менее 4,О млн. рублей