Введение к работе
Актуальность темы.
Удорожание топливно-энергетических ресурсов и растущее загрязнение окружающей среды выдвинули на первый план задачу поиска новых технологий энергопреобразования, разработки новой техники на основе высокоэффективных термодинамических циклов, использование новых видов топлива, новых рабочих тел и т.д.
Наряду с другими возможными подходами, в решении стоящих перед Российской Федерацией и перед мировым сообществом в целом экологических и энергетических проблем, одним из перспективных путей является разработка и широкое внедрение энергопреобразующих систем на основе машин, работающих по прямому и обратному циклам Стирлинга (с внешним подводом теплоты).
Двигатель Стирлинга — это машина, работающая по замкнутому термодинамическому циклу, в которой циклические процессы сжатия и расширения происходят при различных уровнях температур, а управление потоком рабочего тела осуществляется путем изменения его объема. Основные преимущества машин Стирлинга: высокий термический КПД (около 50%); возможность применения различных тепловых источников; экологическая чистота за счет практически полного сгорания топлива; малый шум при работе; регулирование мощности путем изменения давления рабочего тела и температуры; легкий запуск при низкой температуре окружающей среды; герметичность конструкции.
Разработка машин Стирлинга ведется с 1816 г., когда шотландец Роберт Стирлинг изобрел двигатель с внешним подводом теплоты. Широкое использование поршневых двигателей Стирлинга с кривошипно-шатунным механизмом сдерживается рядом причин, таких как: сложность математического описания, сложность конструктивного исполнения узлов, низкие мас-согабаритные показатели, высокая стоимость и др.
Альтернатива - роторно-лопастной двигатель с внешним подводом теплоты. Основные преимущества данной конструкции в сравнении с поршневой: компактность (отношение эквивалентного рабочего объёма к объёму двигателя); минимальный уровень вибрации за счет симметричности конструкции; малое количество деталей; меньшие потери на трение.
Сдерживающим фактором широкого распространения роторно-лопастных двигателей является отсутствие надежной долговечной конструкции. Одним из проблемных мест является механизм преобразования враща-тельно-колебательного движения лопастей двигателя в равномерное однонаправленное вращение выходного вала. Известны следующие механизмы преобразования: зубчатый механизм с эллиптическими колесами Стерка Мартина; зубчато-рычажный механизм Гридина; эпициклоидальный; планетарно-кривошипный; рычажно-кулачковые механизмы, исследованные Артоболевским И. И.; рычажный механизм с вращающимися рычагами Рейснера.
Одним из наилучших с точки зрения удовлетворения оценочным критериям является чстырехзвснный рычажно-кулачковый механизм преобразования движения, предложенный сотрудниками Псковского государственного политехнического института Ю.Н. Лукьяновым и В.Н. Котля-ровым.
Таким образом, вопрос синтеза и исследования механизма преобразования движения для роторно-лопастного двигателя, реализующего цикл Стирлинга, в настоящее время является актуальным.
Целью настоящей работы является синтез и кинематический анализ рычажно-кулачкового четырехзвенного механизма преобразования движения.
Методы исследования. При решении поставленных в работе задач использовался сбор и анализ информации, проводились теоретические и экспериментальные исследования, оценивалась точность и адекватность полученных результатов. Теоретическая часть проводилась с использованием научного метода формализации и связанного с ним метода символического моделирования. Исследовались кинематические характеристики механизма преобразования движения на основе синтезированной теоретической модели методами теории механизмов и машин. Экспериментальная часть планировалась и проводилась с использованием методов физического моделирования и численного моделирования на компьютере. Исследования проводились как с использованием стандартной аппаратуры, установок, приспособлений, компьютерных программ, так и оригинальных измерительных приспособлений.
Научная новизна заключается в следующем:
синтезирован реальный механизм преобразования движения для роторно-лопастного двигателя с внешним подводом теплоты;
составлена математическая модель преобразователя движения",
оптимизирована конструкция реального механизма из условия минимизации отклонений в геометрии;
проведен структурный и кинематический анализ механизма преобразования движения;
- предложена її обоснована методика проведения компьютерных и
экспериментальных исследований преобразователя движения.
Основные положения, выносимые на защиту.
Математическая модель рычажно-кулачкового четырехзвенного преобразователя движения для роторно-лопастного двигателя с внешним подводом теплоты: аналитическое выражение для рабочего профиля кулачка; метод вписывания окружности в профиль кулачка; аналитические зависимости для определения отклонений, связанных с установкой роликов кулачка; решение задачи о перепрофилировании неподвижной части кулачка.
Аналитические выражения для скоростей и ускорений точек и звеньев механизма, необходимые для динамического и силового расчетов.
3. Методика и результаты экспериментальных исследований.
Практическая ценность. Проведенные исследования являются составной частью научно-исследовательских работ в рамках государственного контракта от 16 мая 2007г. № 02.516.11.6031 с Федеральным агентством по науке и инновациям «Разработка математической модели протекания термодинамического цикла с внешним подводом тепла, позволяющей создать экологически чистый двигатель роторно-лопастного типа». В результате разработана методика синтеза и кинематического анализа механизма преобразования движения для роторно-лопастного двигателя с внешним подводом теплоты.
Результаты исследований служат основой для динамического исследования механизма преобразования, силового и прочностного расчетов, а также для разработки конструкции и создания экологически чистого роторно-лопастного двигателя внешнего сгорания. Созданный макет механизма преобразования движения используется для достижения этих целей.
Синтезированный и исследованный механизм преобразования движения может найти применение не только для роторно-лопастного двигателя с внешним подводом теплоты, но и внутреннего сгорания, а также для различных по назначению роторно-лопастных машин (компрессор, расширительная машина и др.).
Результаты исследований используются в учебном процессе при написании дипломных работ по специальности «Технология машиностроения».
Апробация работы. Основные положения работы докладывались и обсуждались на международных конференциях «Проблемы качества машин и их конкурентоспособности», г. Брянск, 2008 г., «Машиностроение и техносфера XXI века», г. Севастополь, 2008 г., «Качество подготовки специалистов и научные исследования в ВУЗах», г. Псков, 2008 г., на научных семинарах: кафедры «Теории механизмов и машин» СПбГПУ, 2008 г., кафедр «Теории механизмов и деталей машин», «Технологии машиностроения» ППИ, 2008 г.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 5 печатных работ.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, заключения, списка литературы. Диссертация изложена на 142 страницах машинописного текста, содержит 91 рисунок, 3 таблицы, 123 наименование литературных источников.
