\bookfoldsheets0

СУМСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

СМІРНОВ Андрій Віталійович

УДК 621.512

ДОСЛІДЖЕННЯ І ЧИСЕЛЬНЕ МОДЕЛЮВАННЯ РОБОЧОГО ПРОЦЕСУ БЕЗМАСТИЛЬНИХ БАГАТОЕЛЕМЕНТНИХ УЩІЛЬНЕНЬ

ПОРШНЕВИХ КОМПРЕСОРІВ

05.05. 15 – вакуумна і компресорна техніка

Автореферат дисертації

на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Суми-2003

Дисертація являє собою рукопис.

Робота виконана в Сумському державному університеті.

Міністерство освіти і науки України.

Науковий керівник: | Марченко Валерій Миколайович

кандидат технічних наук,

доцент кафедри технічної теплофізики,

Сумський державний університет

Офіційні опоненти: |

Доценко Володимир Миколайович

доктор технічних наук, професор,

Харківський аерокосмічний університет

ім. М.Є. Жуковського („ХАІ”), м. Харків

Бондаренко Герман Андрійович

кандидат технічних наук,

головний конструктор ТКМ ВАТ „ВНДІкомпресормаш”, м. Суми

Провідна установа: | Національний технічний університет України („КПІ”), м. Київ, Міністерство освіти і науки України

Захист відбудеться “23” жовтня 2003р. о 1000 на засіданні спеціалізованої вченої ради К55.051.03 в Сумському державному університеті за адресою: 40007, Україна, м. Суми, вул. Римського-Корсакова, 2.

З дисертацію можна ознайомитись в бібліотеці Сумського державного університету.

Автореферат розіслано “19” вересня 2003р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради

кандидат технічних наук ______________Савченко Є.М.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми обумовлена підвищеними вимогами до якості робочого процесу безмастильних багатоелементних ущільнень (ББУ) поршневих компресорів (ПК), який зумовлює надійність роботи, економічність і довговічність цієї групи компресорних машин, попит на які, згідно результатів маркетингових досліджень, постійно зростає. Інтерес до безмастильних поршневих компресорів пояснюється рядом економічних, екологічних і технологічних факторів: 1) високою вартістю мастила, 2) додатковими капітальними та експлуатаційними витратами на систему очистки стисненого газу, і утилізацію відходів мастила, а також 3) неприпустимістю наявності домішок мастила до технологічного газу для деяких виробничих процесів. Це особливо важливо для України, яка щорічно імпортує більше 80% споживаних компресорних мастил.

Застосування поршневих компресорів без змащування циліндрів і штоків у різних галузях промисловості обмежується недостатньою надійністю вузлів ущільнення, про що свідчать результати анкетування більше ніж 100 нафтопереробних та хімічних підприємств у країнах СНД: більше 30% вимушених зупинок пов’язано із виходом з ладу безмастильних ущільнень через неприпустиму величину зносу, термодеструкцію або екструзію полімерних ущільнюючих елементів. Встановлено, що однією з основних причин цього є необґрунтованість рішень, що приймаються на стадії проектування конструкцій, через відсутність насьогодні надійних методів розрахунку робочого процесу ББУ ПК. Складність нестаціонарного робочого процесу і недостатність знань про механізми контактної взаємодії, тепловиділення, теплообміну та протікання в рухливих шорстких спряженнях призводить до використання спрощених модельних уявлень, що перешкоджає розробці раціональних конструкцій із наперед гарантованими оптимальними трибоущільнюючими характеристиками.

Мета роботи полягає в розробці методу розрахунку робочого процесу безмастильних багатоелементних ущільнень поршневих компресорів.

Об’єктом дослідження є безмастильні багатоелементні ущільнення поршневих компресорів, предметом дослідження – їх робочий процес.

Для досягнення мети роботи поставлено такі завдання:–

вивчити процеси контактної взаємодії, теплообміну і протікання газу в рухливому шорсткому металополімерному спряженні, а також – особливості тепловиділення і теплообміну в зоні тертя;–

сформулювати математичну модель і розробити програму чисельного розрахунку робочого процесу ББУ;–

провести натурні випробування ББУ поршневих компресорів та експериментально перевірити розрахунковий метод;–

обґрунтувати вибір раціональної конструкції безмастильного ущільнення штока ПК нормалізованої бази М10 за результатами варіантного чисельного моделювання.

Методи теоретичного дослідження містять аналіз фізичної подібності і рішення окремих модельних задач з використанням теорій випадкових функцій, точкових і штамбових теплових джерел, а також чисельного моделювання і чисельної оптимізації.

Методи експериментального дослідження параметрів робочого процесу включають тензометріювання миттєвих тисків між елементами ущільнюючої системи, реєстрацію температурних полів у деталях ущільнення термоелектричним і термохімічним (неруйнуючим) методами термоскопіювання, профілографіювання мікрошорсткості поверхонь, що труться, оцінку герметичності і зносу ущільнення.

Наукова новизна отриманих результатів.

1. Отримано нове рішення контактної задачі для пружно взаємодіючих металополімерних шорстких спряжень, що ґрунтується на урахуванні явища „колективної” і нерівномірної взаємодії мікронерівностей, розташованих на пружній основі та на відмінності дійсної опорної кривої шорсткого полімерного шару, який деформується, від вихідної геометричної. Вказане рішення дозволило розширити межі опису зони пружних деформацій металополімерних спряжень і усунути протиріччя, яке полягає у невідповідності між пластичним характером деформацій у зоні тертя, що зазвичай приймається, і утомленою природою зносу металополімерних спряжень.

2. На основі доведеного з рішення контактної задачі положення про сталість середнього фактичного тиску (в умовах ізотермічного навантаження) для робочої зони пружних деформацій і визначаючої ролі температури в зоні тертя на механізм взаємозв’язку між навантаженням, потужністю тертя, теплофізичними і деформаційними властивостями поверхневих шарів, і герметичністю уточнено фізичну модель формування фрикційного контакту в ущільненні.

3. Уперше в методі розрахунку робочого процесу ББУ враховано фрикційну складову швидкості протікання газу в шорсткому металополімерному спряженні, що дозволило узгодити розрахункові та експериментальні розподілення миттєвих тисків і теоретично підтвердити можливість екструзії полімерних ущільнюючих елементів у напрямку, протилежному загальному перепадові тиску.

4. Уперше для моделювання процесів тепловиділення в зоні тертя ББУ застосовано теорію штамбових теплових джерел, що дозволило розрахувати закон тепловиділення, сумарну потужність і контактну температуру в зоні тертя.

5. Уточнено математичну модель теплообмінних процесів у ББУ, яка враховує особливості розподілення нестаціонарних теплових потоків у деталі вузла при зворотно-поступальному русі групи штамбових надшвидких теплових джерел, радіаційно-конвективний теплообмін в об’ємах між ущільнюючими елементами в умовах фрикційно-циркуляційної течії газу, а також – змінність умов теплообміну на кінцевих ділянках зони тертя.

Практична цінність роботи полягає у тому, що розроблений чисельний метод розрахунку робочого процесу безмастильних металополімерних ущільнень дозволяє на стадії їх проектування прогнозувати і робити вибір оптимальних трибоущільнюючих характеристик, а саме: потужності тертя і контактної температури, герметичності, зношування і ресурсу. Результати дисертації можуть бути використані при моделюванні різноманітних металополімерних трибоущільнюючих систем, а також – для побудови узагальненої моделі поршневого компресора.

Практична реалізація роботи полягає у впровадженні методу розрахунку робочого процесу ББУ ПК у вигляді чисельної програми для ЕОМ на ВАТ „Сумське НВО ім. М.В.Фрунзе” (Україна). Проведено варіантне моделювання і обґрунтування вибору конструкції штокового ущільнення ПК нормалізованої бази М10, що дозволило встановити причини передчасного виходу з ладу ущільнень штоків компресора 2ГМ10-4/40-120С і запропонувати конструкторські рішення для їх вдосконалення. Запроваджено конструкцію ущільнення штоку для поршневого компресора у складі газопостачального агрегату ГПА-П-0,5/4-46С, що підтверджено актом про випробування. Отриманий при порівнянні з базовим варіантом економічний ефект складає 10 тис. грн/рік на один агрегат.

Особистий внесок пошукувача полягає в постановці задач дослідження і побудові математичної моделі робочого процесу ББУ, розробці алгоритмів чисельного рішення модельних задач [1–3, 5], плануванні і проведенні експериментів [3, 4, 6], аналізі отриманих результатів, в підготовці наукових публікацій і виступів на конференціях і симпозіумах. Під його авторським доглядом створені ущільнення штоків для ПК у складі газопостачального агрегату ГПА-П-0,5/4-46С. Автор розробив алгоритм чисельного методу розрахунку робочого процесу ББУ і реалізував його у вигляді програми для ЕОМ [6].

Апробація результатів роботи проводилась на засіданнях кафедри технічної теплофізики Сумського державного університету і науково-технічної ради ВАТ „Сумське НВО ім. М.В.Фрунзе”. Основні положення та результати дисертації доповідались на: 4-й Міжнародній науково-технічній конференції Київського політехнічного університету (Україна, м. Суми, 1999 р.); 12-й Міжнародній науково-технічній конференції з компресорної техніки (Росія, м. Казань, 2001 р.); науково-методичній конференції „Екологія та енергоменеджмент у сучасній вищий освіті” (Україна, м. Суми, 2001 р.); 8-му Міжнародному симпозіумі „Потребители – производители компрессоров” (Росія, м. Санкт-Петербург, 2002 р.); 10-й Міжнародній науково-технічній конференції „ ГЕРВІКОН - 2002” (Україна, м. Суми, 2002 р.); 6-й Міжнародній науково-технічній конференції молодих спеціалістів „Исследование, конструирование и технология изготовления компрессорных машин” (Росія, м. Казань, 2002 р.).

Публікації. Матеріали роботи опубліковані у 6 статтях і 2 тезисах доповідей до конференцій, з них 4 – у виданнях, що входять до переліку, затвердженому ВАК України.

Структура і обсяг дисертації. Дисертація складається з вступу, чотирьох розділів, висновків, списку літератури з 136 найменувань і 8 додатків. Загальний обсяг дисертації 200 сторінок, у тому числі 125 сторінок основного тексту, 14 таблиць, 54 рисунка.

Основний зміст дисертації

У вступі в анотованому вигляді подано характеристику роботи, обґрунтовано вибір теми, сформульовано мету та завдання дослідження.

Перший розділ дисертаційної роботи містить критичний огляд методів розрахунку робочого процесу ББУ ПК та аналіз досліджень, присвячених вивченню різних факторів (тиск, температура, швидкість ковзання, шорсткість тощо) на працездатність металополімерних спряжень.

Аналіз експериментального матеріалу дозволяє зробити висновок про те, що в умовах нестаціонарного механічного та термічного навантаження найбільший вплив на працездатність полімерних матеріалів у вузлах ущільнення спричиняють зміни їх теплофізичних, трибореологічних та міцнісних властивостей. Встановлено визначаючий вплив температури в зоні тертя на основні трибоущільнюючі характеристики рухових металополімерних спряжень. Вклад таких факторів як тиск середовища, рівень динамічного навантаження, швидкість ковзання, шорсткість та геометрія поверхонь виявляється, передусім, через термічний вплив на властивості приповерхневих шарів пари тертя. Цей дослідний факт зумовлює доречність введення контактної температури як основного параметра робочого процесу ББУ.

Проведений аналіз теоретико-експериментальних досліджень, присвячених побудові розрахункових моделей робочого процесу ББУ, дозволяє зробити наступні висновки:

1. У сучасних методах розрахунку в якості визначального працездатність фактора приймається нерівномірність розподілу тиску між елементами. Це положення ґрунтується на наявному перевантаженню перших та останніх ущільнюючих елементів, що є головною причиною їх передчасного руйнування. Конструкторські рішення, що приймаються для зниження тільки ступеню нерівномірності розподілу тиску без урахування температурного режиму вузла, не змінюють середньої величини зношування.

2. Не дивлячись на визначальну роль контактної температури в робочому процесі трибоущільнюючої системи, вона або не береться до уваги в розрахункових методах, або вводиться емпірично.

3. Недостатність знань про фізичні явища, що відбуваються в металополімерних спряженнях ББУ спричиняє протиріччя між прийнятим пластичним характером деформацій в зоні тертя та утомленим типом зношування, між нехтуванням фрикційною течією у рухливому металополімерному спряженні та відомою залежністю герметичності ущільнення від швидкості ковзання, між використовуваними стандартними статичними характеристиками полімерних матеріалів та динамічним характером взаємодії. Застосування лише осереднених за часом параметрів робочого процесу не відображає реального динамічного (максимального) навантаження на ущільнюючі елементи.

4. Побудова фізично обґрунтованого методу розрахунку робочого процесу ББУ вимагає уточнення та коригування модельних уявлень, що беруться до уваги при розрахунку взаємопов’язаних процесів, які відбуваються в зоні тертя рухомих металополімерних спряжень.

За результатами огляду літератури зроблено висновки щодо актуальності теми дослідження, визначено мету роботи та поставлені детальні завдання.

Другий розділ присвячений етапам побудови математичної моделі робочого процесу ББУ на основі рішень та аналізу низки модельних задач: „контактні характеристики металополімерного спряження”, „протікання та теплообмін реального газу в рухливому шорсткому спряженні”, „контактна температура та теплообмінні процеси у зоні тертя”.

При визначенні контактних характеристик, розподіл матеріалу за висотою шорсткого шару прийнято згідно до експериментально підтвердженого нормального закону розподілу (y). Система координат пов’язана з рухомою, що допускає прогинання та випинання, основою полімеру, на якій розташовані кульові сегменти, що моделюють мікронерівності. В якості основних розрахункових параметрів прийняті: площа фактичного контакту Ar, введений об’єм Vs і навантаження N. Якщо n0 – загальна кількість виступів на номінальній контактній поверхні А, то очікуване число контактів , а значення довільної контактної характеристики . Тут u – відстань між гладкою та середньою площиною шорсткої поверхні, що визначається їх зближенням х.

Піддатливість шорсткого полімерного шару враховується шляхом застосування функції взаємного впливу мікронерівностей, отриманої за результатами узагальнення теоретико-експериментальних досліджень контактної механіки у вигляді

, (1)

де ж – коефіцієнт форми нерівностей; д(a/s) – слабка функція щільності плям контакту (при a/s ? 0, д=1), a, s – середні значення радіусу плям та відстані між ними.

Чисельне рішення поставленої задачі, що враховує ефекти насичення контактних характеристик, у тому числі відносної площини контакту (з=Ar/A) і зближення (е=х/Rmax), а також закон розподілу матеріалу в шорсткому шарі (), дозволяє встановити справжній вигляд опорної кривої:

=1– (1–)1/3 (2)

та уточнити формулу для зближення в спряженні від докладеного навантаження:

=1–exp(–3pc/pr0), (3)

pc=p1–(1–)pm. (4)

Тут pc – контактний тиск, pm – середній тиск газу в шорсткому спряженні.

Деформована опорна крива співпадає з вихідною геометричною лише у межах початкової ділянки, коли з?5% (?ис. 1).

Розраховані в ізотермічному наближенні контактні характеристики для пружно взаємодіючих притертих спряжень (утомлений тип зношування) узгоджуються з експериментальними даними про сталість середнього фактичного тиску та середнього розміру фактичної плями контакту:

, (5)

, (6)

де Kp і Ka – структурні коефіцієнти шорсткості, Д~10-3…10-2 – параметр шорсткості, E і н – відповідно динамічний модуль пружності та коефіцієнт Пуассона полімерного матеріалу. Функція впливу Ш(n0), яка відображає „колективний” характер деформування мікронерівностей та прогинання основи, визначається очікуваним числом контактів n0 на контурній площині Ac (для полімерних елементів, що застосовуються в ПК Ac розгляду рівняння поточного об’єму шпар у спряженні можна отримати формулу для гідродинамічного зазору:

. (7)

В даній постановці вирішення контактної модельної задачі дозволяє розширити зону опису пружної деформації, яка обмежується величиною граничного зближення е*, що узгоджується з дослідними даними про передчасне запирання металополімерних спряжень. Для відтворюваного типу шорсткості запропоновано та експериментально перевірено (методом статичного продування) залежність для визначення початкового зазору h0 (при pc?0) у вигляді h0=2Rp, де Rp – висота згладжування шорсткості профілю. Зіставлення розрахункових та експериментальних даних характеризується середнім відхиленням 12%.

З аналізу розрахункових співвідношень (3)–(6) витікає, що у реальних умовах роботи металополімерних спряжень зростання тиску p1 спричиняє, згідно до рівняння балансу сил (4), збільшення контактного тиску, збільшення тепловиділення в зоні тертя (питома потужність тертя q=fpcw, де f – коефіцієнт тертя, w – швидкість відносного ковзання), підвищенню температури, зниженню модуля пружності Е та фактичного тиску pr. Це призводить до збільшення площі контакту () та додатковому підвищенню контактного тиску pc тощо. За надмірного нагрівання зони тертя спостерігається екструзійне запирання спряження. Постульований механізм формування контакту в умовах переважаючої термічної дії підтверджує особливу роль контактної температури в робочому процесі і тісно взаємопов’язаних з нею змін властивостей матеріалів у зоні тертя: теплофізичних, трибореологічних та міцнісних.

Особливістю контактування динамічних металополімерних спряжень є дуже незначний час взаємодії мікронерівностей (р10-5…10-6с, критерій Дебори De<<1). Це свідчить про те, що реологічна повзучість не встигає виявлятися, і властивості полімерних матеріалів відображаються миттєвими або динамічними характеристиками. Підхід, оснований на засаді про визначальну роль вільного об’єму (ізоентропне наближення), дозволяє встановити розрахункове співвідношення динамічного модуля пружності від температури та тиску:

. (8)

Тут bk=const – модифікована стала Грюнайзена; бV – коефіцієнт ізобарного термічного розширення; C(н) – коефіцієнт, що враховує вплив температури на коефіцієнт Пуассона. Залежність (8) добре підтверджується результатами експериментальних досліджень для наповнених фторопластових композицій.

Результати аналізу диференційних співвідношень термодинаміки свідчать про наявність формальної аналогії між параметрами, що визначають теплофізичні, трибореологічні та міцнісні властивості приповерхневого шару полімерного матеріалу у зоні тертя: границею міцності, коефіцієнтом тертя та відносним зношуванням.

Аналіз подібності модельної задачі протікання та теплообміну газу в рухливому шорсткому спряженні дозволяє характеризувати протікання як ламінарне (критерій Рейнольдса Re101...102) і повзуче (h/l~10-4, l – довжина ущільнюючого елемента в напрямку протікання), квазістаціонарне (критерій Струхаля Sh~10-2…10-1) та ізотермічне (критерій Стентона St~102…103).

Для даних умов протікання газової плівки справедливе рівняння Рейнольдса:

, (9)

де , . Відносна витрата газу визначається двома механізмами протікання: градієнтними () та фрикційними (|So|=0). Число Зоммерфельда (|So|=6wlh–2~0…10, де – динамічна в’язкість газу) характеризує частку фрикційної складової в сумарній витраті газу. З численного рішення рівняння (9) отримано інтерполяційну формулу, яка дозволяє розрахувати епюри тиску в спряженні (рис. 2), а значить – і контактний тиск рс, який суттєво залежить від швидкості відносного ковзання.

Аналіз подібності теплообмінних процесів у зоні тертя безмастильних поршневих та штокових ущільнень свідчить про можливість моделювання полімерних ущільнюючих елементів у вигляді надшвидких теплових джерел (критерій Пекле Pe>>10 (~103…104)), а також про перевагу стаціонарного режиму теплообміну (критерій Фурьє Fo<<1 (~)).

З цієї причини можлива адитивна структура представлення фактичної температури на мікроконтактах:

(10)

На основі фундаментального рішення для точкового теплового джерела сформульоване рівняння для оцінки спалаху на мікроконтакті, що складає для узагальненої групи полімерних матеріалів (л1/л2=101, де л1, л2 – теплопровідності контртіла та полімеру відповідно) менше 1?С. Використання методів теорії теплових штабових джерел дозволяє оцінити нестаціонарність від їх руху, що визначається зайвою температурою с12.

Максимальне значення с12 складає (1…3)0C, а частка нестаціонарного теплового потоку, що потрапляє в ущільнений елемент – менше 10%. Таким чином, для багатоелементної ущільнюючої системи характерне близьке до стаціонарного температурне поле. Нестаціонарність, викликана температурними спалахами на плямах контакту () і циклічністю руху теплових джерел (с12), на один-два порядки менше середнього рівня приповерхньої температури Ta12 в зоні тертя. Глибина шару матеріалу, де відбувається нестаціонарність температурного поля, складає менше 1% відповідно поперечних розмірів деталей спряження. З цього випливає постійність контактної температури в зоні тертя

. (11)

В стаціонарному наближенні розрахунок контактної температури зводиться до рішення рівняння теплового балансу:

, (12)

де Q1,2,3 – теплові потоки із зони тертя; i, m – різниця ентальпій і масова витрата витікання (перетікання) газу; – сумарна потужність тертя багатоелементної системи; П – периметр спряження; S – хід поршня (штока); Ls – довжина ущільнення. Закон тепловиділення групи надшвидких штабових джерел, що складається з декількох (n2) ущільнюючих елементів

. (13)

Тут x*=x-(j-1)(l+lд) – зміщені координати (умова зупинення дії штабового джерела: , якщо ); lд – відстань між ущільненими елементами; Af=П(S+Ls) – площа тертя.

Рішення стаціонарної двомірної граничної задачі теплопровідності для трьох спряжених тіл „корпус – полімерний елемент – контртіло” з межовими умовами першого та другого родів свідчать про незначний тепловий потік, що проходить через елемент.
В граничному випадку частка цього теплового потоку не перевищує 3–5%.

Рішення граничної задачі теплопровідності про розподіл температури в контртілі (штоці або гільзі циліндра) з межовими умовами третього роду (для визначення теплових потоків із зони тертя Q1,2,3) свідчать про приблизну рівність температури в приповерхневому шарі тертя Ta та об’ємній стаціонарній температурі контртіла TV (градієнт температури за радіусом ?Ta1/?r>0). Наприклад, для більш навантаженого штокового ущільнення максимум погрішності одновимір-ного наближення, який спостерігається тільки на границях зони тертя, не перевищує 4-5%. Це дозволяє перейти до формулювання узагальненої теплової задачі вузла ущільнення у вигляді

,, (14)

, (15)

, ,. (16)

Тут F – площа поперечного перетину контртіла; qco(x) – питомий тепловий потік в систему охолодження; бУ1 – конвективно - радіаційний коефіцієнт тепловіддачі до системи охолодження; бУ1,2 – коефіцієнт тепловіддачі поза зоною тертя; лг – теплопровідність газу в кільцевому зазорі висотою д за визначальної температури Tг. Рішення системи (14) проводиться за таких умов „склеювання”: (Ta)2,3=(Ta)1 при (x)2=0 та (x)3=(S+Ls).

Інтенсифікація теплообміну в кільцевих зазорах (16) визначається фрикційним (еф1) та обертальним (ев101) рухом газу. За рахунок зворотно-поступального характеру руху штока (поршня) змінюється форма закону тепловиділення qW(x) (рис. 3).

На основі рішення та аналізу ряду модельних задач та прийнятого термічного принципу формування контактних характеристик ущільнення побудовано замкнену математичну модель робочого процесу ББУ, що включає 20 основних рівнянь з граничними умовами, умовами нормування і циклічності.

Третій розділ присвячений експериментальним дослідженням робочого процесу ББУ. Створений універсальний вузол ущільнення штока нормалізованої бази М10 дозволяє проводити випробування ущільнень поршневих компресорів цієї перспективної бази та реєструвати основні параметри робочого процесу: миттєві тиски та температури газу в міжкільцевих об’ємах за довжиною ущільнення, температурні поля в деталях вузла, витікання газу та ресурсні показники. Апаратурне оснащення експериментального стенда дає можливість безперервно відслідковувати зміни динамічних параметрів робочого процесу ББУ на будь-яких режимах роботи натурного об’єкта випробування.

Достовірність проведених досліджень визначається максимальними погрішностями основних засобів вимірювання: ±3% – тензометрування миттєвих тисків між елементами ущільнюючої системи; ±5% і ±1% – реєстрація температурних полів термоелектричним (термопари) та термохімічним (термочорнила) методами відповідно, ±2% – оцінка герметичності ущільнення.

Експериментальні натурні дослідження, що були проведені на безмастильних ущільненнях штока трьох поршневих компресорів (4 ступінь 4ВМ10-55/71С, 2 ступінь 2ГМ10-4/40-120С, 2 ступінь 4ГМ10-0,5/4-46С) із застосуванням сучасних високоточних засобів контролю та вимірювання, що свідчать про високу достовірність отриманих результатів, які узгоджуються з наявними дослідними даними, і підтверджують основні положення сформульованої математичної моделі:

- пружний характер контактних деформацій (інтенсивність зношування I10-8…10-10);

- визначальна роль фрикційної складової протікання газу в рухливих шорскісних спряженнях (зсув фаз кривих миттєвого тиску);

- висока щільність безмастильного метало-полімерного спряження (витікання <0,5%);

- достовірність моделі теплових надшвидких теплових джерел (постійність контактної температури; поля температури в ущільнюючих елементах практично не відрізняються (рис. 4));

- теплоакумулююча роль ущільнюючих елементів, які практично не беруть участі в стаціонарному теплообміні (експериментальне значення частки теплового потоку, який проходить через ущільнюючі елементи 2%);

- інтенсивний теплообмін в кільцевих зазорах (частка теплового потоку, що відходить до системи охолодження >30%; щільність ізотерм підвищується біля зазору (див. рис.4)).

Четвертий розділ присвячено описові розробленого чисельного методу та зіставленню розрахункових та експериментальних даних. Покладений в основу термічний механізм формування контактних характеристик безмастильного ущільнення визначає головний ітераційний цикл „навкруги” контактної температури (рис. 5). У відповідності з цим навантаження на полімерні ущільнюючі елементи (pr, pc) визначає ресурсні показники (І) через вплив на тепловий режим роботи ущільнення (qW, W), на розподіл тисків між елементами (p1,2) та на режим протікання в спряженнях (h, So, pm, m). Конструкційне виконання (Г) та умови теплообміну (бУ1,2,3) визначають теплові потоки із зони тертя (Q1,2,3).

Перевірка розрахункового методу проводилася шляхом зіставлення результатів розрахунку з експериментальними даними натурних дослідів поршневих компресорів.
В якості необхідної та достатньої умови адекватності розрахункового методу прийнято узгодження розрахункових та експериментальних миттєвих (динамічних) параметрів.

Зіставлення розрахункових та експериментальних кривих миттєвого тиску (рис. 6) показує добру якісну та кількісну відповідність. Середнє розходження для кривих миттєвого тиску щодо ущільнених елементів складає 3,2–6,8%. Максимальна розбіжність 18,2% пояснюється неусувними змінами робочого процесу натурного об’єкта випробувань. Миттєвий перепад тиску визначено з точністю 4,4–18,7%, середній - 1,5–13,9%. За середнім тиском по довжині ущільнення отримано середнє розходження в 2,2%.

Сталість контактної температури в зоні тертя (рис.7) підтверджує модель швидкодії штабових джерел, що моделюють ущільнюючі елементи. Середнє розходження розрахункових та експериментальних даних за контактною температурою складає 2,3%; за температурою стінки камери в кільцевих зазорах – 7,4%; за середньою об’ємною температурою камер – 18,1%.

При проведенні багатоваріантних комп’ютерних розрахунків для вибору раціональних параметрів ущільнення прийнято „класичну” схему з оптимізацією за граничними значеннями трибоущільнюючих характеристик. За результатами числових експериментів можна сформулювати наступні принципи конструювання безмастильних ущільнень.

Витікання газу не виходить за межі допустимих значень і тому не є визначальним за обґрунтування конструкторських рішень. Це призводить до оптимальних значень числа ущільнюючих елементів (5-7) та їх довжин (відношення довжини до висоти 1-1,5).

Принципово можливо підвищити швидкість руху компресорної бази за умов більш ефективного охолодження вузла ущільнення. Оптимальні значення довжин кільцевих зазорів (l/S0,05) визначаються особливостями теплообміну в них для різних баз.

Зі збільшенням тиску ущільнюючого середовища до 5МПа (матеріал полімерних елементів – фторопластова композиція), спостерігається рівномірне поступове зростання потужності тертя, контактної температури та зношування. В інтервалі 5–10МПа за рахунок активізації термічного механізму формування контактних параметрів спостерігається стабілізація трибоущільнюючих характеристик. При тиску ~15МПа розрахункова модель порушується (). Перевищення цього значення характеризується кількісно більш інтенсивною зміною трибоущільнюючих характеристик, що свідчить про початок екструзійного запирання спряжень.

Даний висновок співпадає з результатами експлуатаційних випробувань фторопластової композиції флубон-20 у складі поршневих та штокових ущільнень. Для розглянутої конструкції з плоскими ущільнюючими елементами можлива границя працездатності складає 20МПа. Покращення трибоущільнюючих характеристик ББУ штока можна досягти зниженням теплонапруженості вузла за рахунок інтенсифікації охолодження. Для середніх баз (М4 і М2,5) непоодинокі випадки, коли для досягнення оптимальних трибоущільнюючих характеристик треба навпаки збільшувати контактну температуру.

На основі варіантного розрахунку обґрунтований вибір полімерного матеріалу ущільнюючих елементів за співвідношенням вартості експлуатації та потрібних трибоущільнюючих характеристик.

Додатки включають економічні та експлуатаційні аспекти створення надійних безмастильних ущільнень ПК; рішення практичних задач теплообміну деталей ББУ поза зоною тертя; технічні характеристики вимірювальних пристроїв; програму числового розрахунку ББУ; оцінку ефективності програми за системою експертних оцінок; результати варіантного розрахунку штокового ущільнення бази М10; порядок числового розрахунку; акт впровадження та фотознімки компресорів, на яких здійснювалися натурні випробування.

Висновки

За результатами проведених теоретичних та експериментальних досліджень можна зробити наступні висновки:

1. Огляд сучасного стану розрахункових моделей та аналіз напрямків удосконалення конструкцій безмастильних ущільнень поршневих компресорів свідчить про доцільність розвитку методів передбачуваного проектування цих технічних систем шляхом розробки та уточнення числових методів розрахунку робочого процесу. Проведеними теоретико-експериментальними дослідженнями з’ясовано, що в наявності є значний ресурс щодо удосконалення робочого процесу для створення раціональних конструкцій безмастильних ущільнень за рахунок оптимізації їх трибоущільнюючих характеристик: контактної температури, потужності тертя, герметичності, зношування полімерних ущільнюючих елементів та тривалості їх надійної експлуатації.

2. На основі аналізу подібності та рішення низки модельних задач, що визначають комплексний та взаємопов’язаний робочий процес трибоущільнюючої системи, яка включає контактну взаємодію в шорстких рухливих металополімерних спряженнях, протікання та теплообмін газу, тепловиділення та нестаціонарний теплообмін у зоні тертя, вироблено термічний принцип формування контактних характеристик ущільнень та сформульовано замкнену математичну модель, яка включає 20 основних рівнянь, граничних умов, умови нормування та циклічності. Рішення модельних задач узгоджуються з результатами фізичних експериментів та наявними досвідними даними.

3. Створений оригінальний експериментальний вузол ущільнення штока поршневих компресорів бази М10 дозволяє реєструвати основні параметри робочого процесу, у тому числі розподіл миттєвих тисків та температур газу в міжкільцевих об’ємах за довжиною ущільнення, температурні поля в деталях ущільнення, витікання газу через ущільнення, характеристики шорсткого шару робочих поверхонь спряжених деталей та ресурсні показники. У процесі проведення натурних досліджень забезпечено високу достовірність результатів за рахунок застосування високоточних приладів та проведення серійних багаторазових випробувань. Вимірювання температурних полів в зоні тертя методом неруйнівного термоскопіювання виключає викривлення фізичного процесу та забезпечує достовірну реєстрацію вимірювання в стаціонарному режимі тертя з погрішністю 2%.

4. Результати натурних експериментальних досліджень, проведених на трьох поршневих компресорах 4ВМ10-55/71С, 2ГМ10-4/40-120С та 4ГМ10-0,5/4-46С, підтверджують основні теоретичні засади, прийняті в розрахунковій моделі: пружний характер контактних деформацій, наявність фрикційної складової швидкості протікання газу в рухливому шорсткому металополімерному спряженні, високу густину безмастильних ущільнень, інтенсивний теплообмін в міжкільцевих зазорах та постійність контактної температури в зоні тертя. Це свідчить про адекватність математичної моделі фізичним процесам, що відбуваються у безмастильному ущільненні поршневого компресора.

5. Зіставлення розрахункових та експериментальних даних за миттєвими параметрами робочого процесу показує високу достовірність розрахункового методу. Миттєвий тиск визначений з точністю 3,2–6,8%, середній тиск – 2,5%, контактна температура – 2,5%.
З метою підвищення достовірності розрахункового методу надалі необхідно провести експериментальну перевірку щодо потужності тертя.

6. Розроблена обчислювальна програма розрахунку основних параметрів робочого процесу безмастильного багатоелементного ущільнення дозволяє на стадії проектування оцінювати та виконувати оптимізацію трибоущільнюючих характеристик.
За результатами багатоваріантних комп’ютерних розрахунків з метою розробки раціональних конструкцій безмастильних ущільнень поршневих компресорів бази М10 виявлено існування оптимумів при варіації довжин полімерних ущільнюючих елементів та їх кількості, знайдено значний запас з підвищення бистрохідності бази, показано можливість розширення межи граничних робочих параметрів ущільнення за рахунок більш інтенсивного охолодження та обґрунтовано принципи вибору полімерних матеріалів щодо співвідносності вартості експлуатації та трибоущільнюючих характеристик.

7. Результати роботи використовуються на ВАТ „Сумське НВО ім. М.В. Фрунзе” при проведенні проектно-конструкторських робіт зі створення безмастильних ущільнень для поршневих компресорів газової та нафтової промисловості. Реалізацію роботи підтверджено актом впровадження.

СПИСОК ДРУКОВАНИХ ПРАЦЬ ПОШУКУВАЧА ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Марченко В.Н. Смирнов А.В. Течение газа в подвижном шероховатом сопряжении бессмазочного поршневого уплотнения // Вестник НТУ. – КПИ. – К.: Машиностроение, 1999. – Т.1. – С.144-152.

2. Марченко В.Н. Смирнов А.В. О контактных характеристиках в полимерных бессмазочных уплотнениях. Часть 1: Расчет контактных параметров на начальном участке сближения // Вестник СумГУ. – Сумы, 2000 – №15. - С.89-94.

3. Марченко В.Н. Смирнов А.В. О контактных характеристиках в полимерных бессмазочных уплотнениях. Часть 2: Модель металлполимерного шероховатого сопряжения // Вестник СумГУ. – Сумы, 2001. – №9-10. – С.201-207.

4. Смирнов А.В. О работоспособности бессмазочного металлполимерного уплотнения в поршневом компрессоре // Вестник СумГУ. – Сумы, 2002. – №9. – С.118-123.

5. Марченко В.Н. Смирнов А.В. Теплообменные процессы в бессмазочном металлполимерном уплотнении штока поршневого компрессора // Компрессорная техника и пневматика. – М.: Компрессорная и химическая техника, 2002. – №6 – С.15-18.

6. Кобыляков А.Г. Смирнов А.В. Прогнозирование температуры в зоне трения металлполимерного уплотнения штока // Труды Х Международной научно-технической конференции “Герметичность, вибронадежность и экологическая безопасность насосного и компрессорного оборудования”. – Сумы, 2002. – Т.1. – С. 282-288.

АНОТАЦІЯ

Смірнов А. В. Дослідження і чисельне моделювання робочого процесу безмастильних багатоелементних ущільнень поршневих компресорів. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.05.15 – вакуумна і компресорна техніка. – Сумський державний університет, Суми, 2003.

Роботу присвячено питанням створення надійного фізично обґрунтованого метода розрахунку робочого процесу безмастильних багатоелементних ущільнень поршневих компресорів з метою вдосконалення конструкцій даного виду технічних систем шляхом оптимізації трибоущільнюючих характеристик, які включають контактну температуру, потужність тертя, герметичність, зношування і ресурс.

Спираючись на постульований в роботі термічний механізм формування контактних характеристик, розроблено математичну модель робочого процесу безмастильного багатоелементного ущільнення. Експериментальна перевірка основних положень моделі проводилась в процесі натурних випробувань безмастильних ущільнень поршневих компресорів. Модель реалізовано у вигляді обчислювальної програми для ЕОМ.

Ключові слова: безмастильні ущільнення, поршневі компресори, математична модель, контактна задача, протікання і теплообмін газу в рухомому шорсткому спряженні, закон тепловиділення, потужність тертя, контактна температура, чисельний метод.

АННОТАЦИЯ

Смирнов А.В. Исследование и численное моделирование рабочего процесса бессмазочных многоэлементных уплотнений поршневых компрессоров. – Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.05.15 – вакуумная и компрессорная техника. Сумский государственный университет, Сумы, 2003.

Работа посвящена вопросам создания надежного физически обоснованного метода расчета рабочего процесса бессмазочных многоэлементных уплотнений поршневых компрессоров, с целью совершенствования конструкций данного вида технических систем путем оптимизации трибоуплотнительных характеристик, включающих контактную температуру, мощность трения, герметичность, износ и ресурс.

Опираясь на постулируемый в работе термический механизм формирования контактных характеристик, разработана математическая модель рабочего процесса бессмазочного многоэлементного уплотнения. Экспериментальная проверка основных положений модели проводилась в процессе натурных испытаний бессмазочных уплотнений поршневых компрессоров. Модель реализована в виде вычислительной программы для ЭВМ.

Ключевые слова: бессмазочные уплотнения, поршневые компрессоры, математическая модель, контактная задача, течение и теплообмен газа в подвижном шероховатом сопряжении, закон тепловыделения, мощность трения, контактная температура, численный метод.

SUMMARY

A.V. Smirnov. Research and Numeral Modeling of the Working Process of the Oil-Free Packing of the Reciprocating Compressors. – Manuscript.

Dissertation for the degree of Candidate of Technical Science in field of 05.05.15 – Vacuum and Compressors Engineering. – Sumy State University, Sumy, 2003.

The work has devoted to the questions of the creation reliable physically well-grounded method of calculation of the working process of the oil-free packing reciprocating (piston) compressors, with the purpose to perfection structures this form of the technical systems by optimization tribo-packing characteristics, including friction capacity, air-tightness, wear and recourse.

Based on the thermal mechanism of the forming contact characteristics, has been worked out mathematic model of the oil-free multyelement packing. The experimental verification of the primary condition has been worked out with full-scale tests on oil-free packing of reciprocating compressors. The model has been realized in the form of computation program.

Key words: oil-free packing, reciprocating (piston) compressors, mathematics modeling, contact problem, flow and heat exchange on sliding rough junction, thermal flux, friction power losses, contact temperature, numerical method.

Підписано до друку 05.08.2003г. Формат 60х90/16

Наклад 100 прим. Замовлення №113

____________________________________________________

ВВП “Мрія” LTD

40030, м. Суми, вул. Кузнечна 2