2
обоснование конструктивно-технологических параметров запорных органов клапанов поршневых компрессоров
Специальность 05.05.06 - «Горные машины»
Автореферат диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Волегов Сергей Александрович
Екатеринбург 2008
Работа выполнена в ГОУ ВПО «Уральский государственный горный университет»
Научный руководитель - доктор технических наук, доцент Хазин Марк Леонтьевич
Официальные оппоненты:
доктор технических наук, профессор Кабаков Анатолий Никитович;
кандидат физико-математических наук, доцент Тарасов Борис Николаевич
Ведущее предприятие - Институт горного дела УрО РАН (г. Екатеринбург)
Защита состоится 19 ноября 2008 г. в 10 часов на заседании диссертационного совета Д 212.280.03 при ГОУ ВПО «Уральский государственный горный университет» по адресу: 620144: г. Екатеринбург, ул. Куйбышева, 30, зал заседаний Ученого совета.
C диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.
Автореферат разослан 17 октября 2008 г.
Ученый секретарь
диссертационного совета Хазин М.Л.
Общая характеристика работы
Актуальность темы. энергия сжатого воздуха применяется при бурении, погрузке и транспортировании полезного ископаемого, а также при проветривании выработок и т. п. Машины, работающие на этой энергии, надежны в работе, конструктивно просты, сравнительно недорогие и обеспечивают высокую безопасность труда. удельный вес их в энергопотреблении горных предприятий с подземным способом добычи полезного ископаемого доходит до 20 - 30 %. Потери производительности компрессора, обусловленные его конструктивными особенностями и износом, а также затраты на производство сжатого воздуха имеют тенденцию к увеличению, особенно характерную для последних десяти лет. Низкие технико-экономические показатели функционирования шахтных компрессоров позволяют сделать вывод, что часть как теоретических проблем, так и практических задач, связанных с их работой, решены не полностью.
Следовательно, работы, направленные на решение научной проблемы энергосбережения при производстве и транспортировке сжатого воздуха в горнодобывающей промышленности, имеют важное хозяйственное значение.
Одним из основных узлов, связанным с существенным потреблением подводимой к коленчатому валу компрессора энергии, является клапан. Проблема совершенствования воздухораспределительных органов поршневых компрессоров представляет собой важную научно-практическую задачу, актуальность которой не уменьшается, поскольку энергоэффективный путь хозяйствования в условиях рыночных отношений не имеет альтернативы
Существующие клапаны поршневых компрессоров не в полной мере отвечают требованиям, предъявляемым к ним горной промышленностью. Следовательно, разработка конструкций энергосберегающих клапанов, повышающих эффективность и надежность поршневых компрессоров (пк), является актуальной задачей.
Связь темы диссертации с государственными программами. работа выполнялась в соответствии программой федерального агентства по образованию при министерстве образования и науки России «Развитие теории мониторинга и эффективности сложных электромеханических систем горного производства» (№ гос. Рег. 0120023922).
Объект исследования. Поршневые компрессоры для горной и других отраслей промышленности.
Предмет исследования - запорные органы прямоточных клапанов поршневых компрессоров.
Целью работы является обоснование и расчет конструктивно-технологических параметров запорных органов клапанов для снижения энергопотребления поршневыми компрессорами.
Идея работы заключается в применении новой конструкции прямоточного клапана поршневого компрессора.
Методы исследований, включающие в себя обобщение и анализ литературных источников, теоретические и экспериментальные (промышленные и лабораторные) методы исследования, базирующиеся на классических законах математики и физики, а также физическое моделирование.
Научные положения, выносимые на защиту:
взаимосвязь напряженно-деформированного состояния, возникающего в запорном органе при установке в клапан и работе компрессора, с конструктивно-технологическими параметрами клапана пк;
обоснование граничных значений толщины запорного органа при заданных конструктивно-технологических параметрах клапана и материала для его изготовления;
распределение натяга запорного органа по периметру паза седла клапана и его взаимосвязь с конструктивно-технологическими параметрами клапана;
классификация прямоточных клапанов, основанная на форме запорного органа.
Научная новизна работы
· Получено аналитическое выражение, описывающее взаимосвязь напряжений, возникающих в запорном органе при установке его в клапан и работе компрессора, материала запорного органа с его конструктивно-технологическими параметрами, на основании которого разработаны новые конструкции клапанов для различных типов поршневых компрессоров.
· Обоснованы конструктивно-технологические параметры запорного органа клапана с концентрично расположенными пазами.
· Установлены граничные значения толщины запорного органа клапана и предложено условие выбора материала для его изготовления при заданных конструктивных параметрах новой конструкции клапана.
· Разработаны имитационные модели надежности клапанов ПК различных конструкций на основе композиции двух распределений Вейбулла, позволяющие адекватно описать весь период эксплуатации клапанов, включая периоды приработки и старения.
Практическая ценность работы
Разработаны новые конструкции клапанов для различных типов поршневых компрессоров, защищенные авторскими свидетельствами и являющиеся взаимозаменяемыми с существующими клапанами, что позволяет устанавливать их на серийно выпускаемые поршневые компрессоры.
Предложена методика расчета конструктивно-технологических параметров клапана ПК.
Разработаны рекомендации по технологии получения запорного органа клапана ПК с заданными параметрами.
Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается корректным использованием классических и современных методов исследований функционирования запорных органов клапанов поршневых компрессоров, хорошей сходимостью результатов теоретического анализа с экспериментальными данными и промышленными испытаниями, а также статистической обработкой результатов экспериментальных и теоретических исследований. Расхождение расчетных и экспериментальных данных не превышает 12 % с доверительной вероятностью 0,95. клапан запорный поршневой компрессор
Реализация результатов работы. Основные научные положения работы внедрены в производство Уральским заводом новых технологий. Изготовлена и испытана опытная партия клапанов с получением экономического эффекта в 1990 руб. на один клапан.
Апробация работы. Результаты работы докладывались на международной научно-технической конференции «Новые материалы и технологии в машиностроении» (г. Брянск, 2007 г.), Молодежной научно-практической конференции, проводимой в рамках Уральской горнопромышленной декады (г. Екатеринбург, 2007 г.), VI Международной научно-технической конференции «Технологическое оборудование для горной и нефтегазовой промышленности» (г. Екатеринбург, 2008 г.),
Личный вклад автора заключается в
выведении уравнения, описывающего взаимосвязь напряжений, возникающих в запорном органе клапана при установке в клапан и работе компрессора, материал запорного органа и его конструктивно-технологические параметры;
разработке методик исследования запорного органа клапана и расчета конструктивно-технологических параметров клапана и его запорного органа;
предложенной классификации прямоточных клапанов, основанной на форме запорного органа - ленты;
разработке новых конструкций газораспределительных органов поршневых компрессоров;
установлении граничных значений величины толщины запорного органа клапана и условия выбора материала при заданных конструктивных параметрах клапана и параметрах его эксплуатации.
Публикации. По теме работы автором опубликовано восемь работ, в том числе две в ведущих рецензируемых научных журналах и изданиях.
Структура и объем. Работа состоит из введения, четырех глав, заключения и двух приложений. Содержание работы изложено на 108 страницах машинописного текста, включает 55 рисунков и 16 таблиц. библиографический список содержит 112 наименований.
Основное содержание работы
Во введении обоснована актуальность проблемы, сформулирована цель, научная новизна и практическая значимость полученных результатов.
В первой главе рассмотрено применение поршневых компрессоров (ПК) в горной и других отраслях промышленности, их доля в энергопотреблении предприятий. Вследствие широкого применения компрессорных машин они всегда находились в центре внимания как отечественных, так и зарубежных исследователей. В области создания и совершенствования воздухораспределительных органов поршневых компрессоров - клапанов особое место занимают работы докторов технических наук: Френкеля М. И, Дмитревского В. А., Кондратьевой Т. Ф., Карпова Г. В., Пирумова И. Б., Фотина Б. С., Шелеста П. А., Бороховича А. И., Бабаяна С. А., Беркмана Б. А., Фролова П. П., Шапиро М. Б., Колбасова М. Г., Спектра Б. А., Дмитриева В. Т. и многих других.
Проведенный анализ функционирования компрессорных установок показывает их низкую экономическую эффективность. Например, к. п. д. компрессорного хозяйства шахты (компрессорные установки и шахтные пневматические сети) находится в пределах 8 ч 10 %. Низкая технико-экономическая эффективность функционирования компрессорных хозяйств шахт объясняется, в частности, следствием плохого состояния воздухораспределительных органов - клапанов. Известно, что из-за поломок клапанов (главным образом их пластин) происходит большинство остановок компрессоров. Отказы клапанов в основном наступают в результате усталостного разрушения запорного органа вследствие накопления усталостной пластической деформации. Следовательно, клапаны компрессора можно рассматривать как наиболее слабое звено конструкции компрессора.
На основе проведенного анализа работы ПК выявлены значительные резервы повышения их технико-экономических показателей и сформулированы основные задачи диссертационной работы.
Во второй главе описано применяемое для исследований оборудование и методики, в том числе разработанные автором.
В качестве запорного органа предложенного автором клапана применяли стальную холоднокатаную ленту с переменным радиусом кривизны, геометрические параметры которой находились в пределах от 0,1 до 0,6 мм по толщине и от 10 до 14 мм по ширине.
Известное приспособление для гибки ленты прямоточных клапанов типа СГИ (с прямым пазом) не позволяет получать ленту заданной кривизны из-за применяемой схемы гибки. В связи с этим появилась необходимость в создании соответствующей установки, которая была разработана и изготовлена автором.
Для исследования распределения натяга ленты по периметру паза седла использовали физическое моделирование работы рассматриваемого клапана. При этом рассматривали влияние внешней нагрузки (имитирующей давление газа) на геометрические характеристики ленты.
Для определения натяга, соответствующего «порогу» срабатывания клапана и его распределению по длине ленты, автором был разработан и изготовлен стенд. На предварительно изогнутую ленту передавалось усилие в пределах от 0 до 5 Н. момент отрыва ленты от седла клапана (датчика) при соответствующей нагрузке определяли по размыканию электрической цепи омметром. Результаты замеров принимались как средняя величина по 10 измерениям.
Для определения скорости перемещения запорного органа (ленты) в зависимости от геометрических параметров автором был разработан и собран специальный измерительный стенд, включающий в себя диэлектрическую плиту, на которой располагались лента и датчик её перемещения. среднюю скорость движения ленты определяли по известному перемещению за время, фиксируемое осциллографом. Замеры повторялись после каждого поворота ленты на 1/8 ее длины. В эксперименте использовали ленты с радиусом изгиба от 50 до75 мм из стали 65Г.
В третьей главе приведены результаты исследований запорных органов клапанов ПК.
С целью повышения надежности и эффективности воздухораспределительных органов была разработана конструкция прямоточного клапана, в котором запорный орган - пластина расположен свободно (не закреплен жестко). Новая конструкция позволяет исключить усталостные разрушения от напряжений, возникающих в месте консольного закрепления упругого элемента запорного органа в конструкции ЛенНИИхиммаш (клапан ПИК).