Введение к работе
Актуальность темы. В современном промышленном производстве сжатый воздух является одним из самых дорогих видов энергии. Затраты на пневмоприводы промышленных машин и механизмов в 710 раз выше, чем у электроприводов, вырабатывающих сопоставимую энергию. Тем не менее технологии с применением пневматики имеют целый ряд свойственных только им преимуществ. Немаловажная особенность пневмооборудования – экологическая чистота, взрыво- и пожаробезопасность. Эксплуатация пневмотехники возможна при высокой температуре окружающей среды, ее можно использовать и в условиях повышенной влажности при открытых и подземных горных работах.
Развитие поршневых компрессоров сопровождается повышением скорости вращения коленчатого вала и средней скорости поршня, что связано с трудностями обеспечения высокой надёжности самодействующих клапанов и поддержания низкого уровня потерь энергии в них.
Одним из основных узлов, связанным с существенным потреблением подводимой к коленчатому валу компрессора энергии, является клапан. Низкие технико-экономические показатели функционирования компрессоров позволяют сделать вывод, что часть как теоретических проблем, так и практических задач, связанных с их работой, решены не полностью.
Поэтому вопросы сокращения энергетических потерь и расходов при производстве сжатого воздуха являются актуальными.
Связь темы диссертации с государственными программами.
Работа выполнялась в соответствии с договором с Минобрнауки России № 13.G25.31.0010 от «07» сентября 2010 г. по созданию производства высокотехнологичного оборудования для добычи природного камня открытым способом в рамках реализации Постановления Правительства России от 9 апреля 2010 г. № 218 «О мерах государственной поддержки развития кооперации российских высших учебных заведений и организаций, реализующих комплексные проекты по созданию высокотехнологичного производства» и соответствии с соглашением с Минобрнауки России № 14.В37.21.1097 от 13 сентября 2012 г. о предоставлении гранта на проведение научных исследований по теме «Разработка научно-технических основ энергосберегающего технологического метода одностадийного получения объемных наноструктурированных металлов и сплавов конструкционного назначения».
Объект исследования. Запорный орган прямоточного клапана поршневого компрессора.
Цель работ. Повышение эффективности работы прямоточного клапанапоршневого компрессора.
Идея работы. Обеспечение равномерного натяга запорного органа клапана.
Методы исследований включают 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:
равномерность распределения величины натяга запорного органа по периметру паза седла клапана определяется его конструктивно-технологическими параметрами;
эффективность работы клапана, в значительной мере, определяется влиянием величины и равномерностью натяга запорного органа;
дополненная классификация прямоточных клапанов поршневых компрессоров с кольцевыми пазами.
Научная новизна работы
дополнена теория расчета упругих разрезных колец: выведено уравнение, описывающее распределение натяга запорного органа после установки его в паз седла клапана и дифференциальное уравнение упругой линии кольца;
исследованы распределения значений натягов запорных органов с различными геометрическими параметрами на стенки паза седла клапана;
получено аналитическое выражение, связывающее величину угла разреза с другими геометрическими и технологическими параметрами запорного органа (разрезного пружинного кольца) клапана;
установлена зависимость между геометрической формой запорного органа в свободном состоянии и распределением радиальных давлений (натяга) на стенки паза седла клапана в сжатом (рабочем) состоянии;
дополнена классификация прямоточных клапанов, основанная на форме запорного органа.
Практическая ценность работы
обоснованы конструктивно-технологические параметры свободно расположенного запорного органа клапана с концентрично расположенными пазами;
разработаны методики расчета распределения радиального давления (натяга) запорного органа с различными конструктивно-технологическими параметрами на стенки паза седла клапана поршневого компрессора;
разработаны новые конструкции запорных органов клапанов для поршневых компрессоров (патент на полезную модель № 107313, заявка на изобретение), обеспечивающие равномерный натяг.
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. Расхождение расчетных и экспериментальных данных не превышает 10 % с доверительной вероятностью 0,95.
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 1991 руб. на один клапан.
Апробация работы. Результаты работы докладывались на научно-практических конференциях, проводимых в рамках Уральской горнопромышленной декады VI, VII, VIII, IX: «Технологическое оборудование для горной и нефтегазовой промышленности» (г. Екатеринбург, 2010, 2011, 2012, 2013 г.г.), «Математическое моделирование механических явлений» (г. Екатеринбург, 2011 г.), «Проблемы инновационного пути развития шахтного и карьерного стационарного оборудования» (г. Екатеринбург 2013 г.).
Личный вклад автора:
дополнение теории расчета упругих разрезных колец с большим углом разреза и выведение уравнения, описывающего распределение натяга запорного органа после установки его в седло клапана;
вывод уравнения, описывающего взаимосвязь напряжений, возникающих в запорном органе клапана при установке в клапан с его конструктивно-технологическими параметрами и дифференциального уравнения упругой линии кольца;
разработка методик исследования запорного органа клапана и расчет его конструктивно-технологических параметров;
установление граничных значений величин геометрических параметров запорного органа при заданных конструктивных параметрах клапана и условий его эксплуатации;
расширение классификации прямоточных клапанов, основанной на форме запорного органа;
проведение экспериментов и анализ их результатов.
Публикации. По теме работы автором опубликовано 14 работ, в том числе 5 в ведущих рецензируемых научных журналах и изданиях.
Структура и объем. Работа состоит из введения, четырех глав, заключения и двух приложений. Содержание работы изложено на 129 страницах машинописного текста, содержит 45 рисунков и 8 таблиц. Библиографический список содержит 115 наименований.
