Введение к работе
Актуальность работы. Процессы и устройства сжатия и расширения различных сред в настоящее время занимают одно из главенствующих мест техішке. В настоящее время в России и в странах СНГ эксплуатируется свыше 500 тысяч промышленных компрессоров, которые вместе с вентиляторами и насосами потребляют около 20% вырабатываемой в стране электроэнергии. Производством и ремонтом компрессоров занято свыше 1 млн. человек.
В последние десятилетия успешно развивается новый тип объемной компрессорной машины - винтовой компрессор, рабочими органами которого являются вращающиеся в разные стороны роторы - цилиндры, на которых выполнены винтовые зубья. Винты располагаются с частичным перекрытием (зубья одного винта заходят во впадины другого) и помещены в цилиндрические расточки корпуса. Форма винтовой поверхности роторов подбирается такой, чтобы на любой стадии вращения между ними существовала непрерывная линия контакта. Во впадинах между винтовыми зубьями роторов и корпусом образуются герметичные полости, ограниченные непрерывными линиями контакта роторов. При вращении роторов в разные стороны эти полости перемещаются в осевом направлении, перекачивая газ из области низкого давления в область высокого. Если объем полости изменяется по длине винта, происходит сжатие или расширение газа.
Главной особенностью винтового компрессора является возможность избежать механического трения между рабочими органами (при наличии синхронизирующих вращение шестерен) и отсутствие деталей, совершающих возвратно-поступательное движение. Последнее позволяет разгрузить механизм от циклических инерционных нагрузок, в значительной мере снизить шум и вибрации, достичь высоких скоростей вращения роторов и, соответственно, высокой проігзводительности при малых габаритах и весе. Винтовой компрессор способен перекачивать любые, в том числе и агрессивные, газы без загрязнения их смазочными маслами; его производительность слабо зависит от давления на выходе. Производительность компрессора можно легко регулировать изменением частоты вращения привода.
Главным недостатком винтовых компрессоров, ограничивающим их широкое применение, является сложность расчета и изготовления сопряженных профилей роторов, обеспечивающих непрерывную линию контакта поверхностей (линию запирания) между полостями при оптимальных технических характеристиках и приемлемой технологии изготовления. Освоенные в производстве геометрические формы роторов не оптимальны; потенциальные возможности машины использованы не в полной мере.
Актуальными, таким образом, являются вопросы создания более совершенных конструкций винтовых компрессоров.
Цели и задачи исследований. Целью настоящей работы явилось решение комплексной проблемы расчета, проектирования, изготовления и контроля роторов винтовых компрессоров с улучшенными эксплуатационными характеристиками.
Для реализации указанной цели были выполнены исследования в следующих основных направлениях:
-
анализ современного состояния методов расчета сопряженных профилей роторов винтовых компрессоров и насосов и возможности применения численных методов в этих расчетах;
-
разработка и обоснование нового недифференциального численного метода расчета профиля, сопряженного заданному;
-
разработка и обоснование нового численного метода расчета сопряженных профилей по заданной линии контакта; нахождение области возможных и оптимальных решений;
-
исследование новых профилей, целесообразных для применения в винтовых компрессорах и насосах и сравнение их с существующими;
-
разработка методов расчета производительности, мощности, потерь и КПД винтового компрессора и насоса;
-
разработка недифференциальных численных методов расчета профильного инструмента (резца, дисковой и пальцевой фрезы) для механической обработки винтовых поверхностей;
-
разработка алгоритма расчета опорных точек при обработке винтовой поверхности на фрезерном станке с ЧПУ стандартным инструментом;
-
разработка программного обеспечения для решения перечисленных выше задач.
Методы исследований. Исследования проведены на основе преимущественно недифференциальных численных методов вычислительной математики, программирования, а также с применением принципов систем автоматизировашшго проектирования (CAD) и автоматизированного программирования (САМ).
Достоверность и обоснованность результатов подтверждаются опытом применения разработанного программного обеспечения в производстве, а также сопоставлением результатов, полученных при использовании разработанных методов с результатами, полученными существующими методами.
5 На защиту выносятся:
-
новый недифферепциальный численный метод расчета профиля, сопряженного заданному;
-
результаты расчета предложенным методом и их сравнение с результатами расчета традиционными методами;
-
новый численный метод расчета сопряженных профилей по известной линии контакта;
-
исследование допустимых форм линий контакта и их связи с формой профилей;
-
варианты профилей роторов винтовых компрессоров, рассчитанные предложенными методами, и их сравнение с существующими профилями;
-
методы и результаты максимизации КПД винтового компрессора;
-
метод расчета опорных точек траектории пальцевой фрезы стандартной формы при обработке винтовой поверхности на фрезерном станке с ЧПУ;
-
метод расчета профиля фасонного резца, дисковой и пальцевой фрезы.
Научная новизна:
-
разработан новый недифференциальный численный метод расчета сопряженного с заданным профиля и показана возможность применения этого метода к роторам винтовых компрессоров и насосов на примере двухзаходных винтовых поверхностей с одинаковыми профилями;
-
предложена концепция расчета сопряженных профилей по заданной линии контакта; проведены оценки взаимовлияния геометрических параметров сопряженных профилей; уточнены границы области их существования;
-
разработана новая методика оценки влияния геометрии роторов на протечки перекачиваемой среды и гидродинамическое трение в зазорах, позволяющая оптимизировать величину зазоров и другие параметры конструкции для достижения максимального КПД.
Практическая ценность работы:
-
на основе разработанных методов предложены профили роторов, позволяющие значительно увеличить производительность винтового компрессора. Получены профили роторов, обеспечивающие максимальную теоретическую производительность компрессора при заданных габаритах, а также профили, исключающие подрезание ножки зуба; .
-
создан комплекс программ, позволяющих решать следующие задачи:
получать профили роторов винтового компрессора с заданными характеристиками;
минимизировать потери мощности и максимизировать КПД винтового компрессора;
автоматически создавать программу для обработки винтовой поверхности ротора стандартным инструментом на обрабатывающем центре с ЧПУ;
рассчитывать профили фасонного резца, дисковой и пальцевой фрезы для обработки винтовой поверхности в серийном производстве.
Реализация результатов. Разработанное программное обеспечение внедрено в практику проектирования винтовых компрессоров на Уральском электрохимическом комбинате и Уральском автомоторном заводе (г. Новоуральск). В Федеральный институт промышленной собственности (ФИПС) поданы материалы на выдачу патента РФ на изобретение «Ротор винтового компрессора». Метод профилирования винтовых поверхностей излагается в курсе «Теория механизмов и машин», а особенности методов профилирования инструмента - в курсе «Проектирование инструмента с применением ЭВМ» в НПИ МИФИ.
Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались на Международной конференции «Теория и практика зубчатых передач» (Ижевск, 1998 г.), шестом Международном симпозиуме «Теория реальных передач зацеплением» (Курган, 1997 г.), научно-технической конференции «Дни науки - 98» (Озерск, 1998 г. ), Межрегиональных семинарах-выставках «Автоматизация и прогрессивные технологии» (Новоуральск, 1996 и 1999 г.г.).
Диссертация выполнена в соответствии с планом научно-исследовательской работы кафедры общеинженерных дисциплин НПИ МИФИ 1996-2000 г.г., программами Минвуза Российской Федерации «Прогрессивные зубчатые передачи» (1997-1998 г.г.) и «Прецизионные технологии и системы» (1999 г.).
Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано десять научных работ. Кроме того в ФИПС поданы материалы на выдачу патента РФ на изобретение.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти разделов, заключения, списка литературы, содержащего 80 источішков, и приложения, в котором представлены акты внедрения результатов работы. Основной текст изложен на ПО машинописных страницах, поясняется 42 рисунками.