Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ состояния вопроса. систематика поршневых тепловых машин нетрадиционных конструктивных схем 9
1.1. Понятие о тепловых машинах традиционных и нетрадиционных схем 9
1.2. Бесшатунные и бескривошипные нетрадиционные поршневые машины 9
1.3. Роторно-поршневые нетрадиционные машины 12
1.4. Классификация поршневых тепловых машин нетрадиционных конструктивных схем 22
2. Цель и задачи работы. предмет и объект исследования 24
2. 1. Авторские разработки новых, перспективных нетрадиционных поршневых тепловых машин 24
2. 2. Цель и задачи работы 30
2.3. Обоснование предмета и объекта исследования 31
3. Математическая модель кинематических параметров бескривошипной машины нового типа 37
3. 1. Система отсчета параметров. Граничные условия 37
3. 2. Перемещение, скорость и ускорение движения поршня 43
3. 3. Обобщенная модель кинематических параметров бескривошипной машины 51
4. Математическая модель динамических параметров бескривошипной машины 57
4. 1. Система отсчета параметров. Граничные условия 57
4. 2. Функция угла наклона беговой дорожки 59
4. 3. Лимитирование угла наклона беговой дорожки бескривошипной машины 64
4.4. Силы и моменты, действующие в преобразующем механизме машины 68
4. 5. К оценке нагруженности основных силовых элементов механизма преобразования движения машины 71
4.6. Математическая модель динамических параметров бескривошипной машины 77
4.7. Оценка влияния закона перемещения поршня на динамические параметры бескривошипной машины 80
4. 7. 1. Оценка динамичности нагрузок, действующих в механизме преобразования движения 81
4.7.2. Некоторые формы продольных профилей беговых дорожек преобразующих механизмов 89
5. Расчетно-теоретические и экспериментальные исследования бескривошипной тепловой машины 96
5.1. Расчетные модели кинематических и динамических параметров бескривошипной машины с различными профилями беговых дорожек 96
5.2. Сравнительный анализ результатов расчетно-теоретических исследований кинематических и динамических параметров бескривошипной машины с различными профилями беговых дорожек 99
5. 3. Экспериментальные исследования малоразмерной бескривошипной поршневой машины 116
Выводы 133
Литература 139
- Бесшатунные и бескривошипные нетрадиционные поршневые машины
- Обоснование предмета и объекта исследования
- Обобщенная модель кинематических параметров бескривошипной машины
- Оценка влияния закона перемещения поршня на динамические параметры бескривошипной машины
Бесшатунные и бескривошипные нетрадиционные поршневые машины
В этих схемах использованы свойства эпи- и гипотрохоид. Такие кривые получаются при движении точки, связанной с окружностью, которая катится без скольжения по другой окружности. На практике берут зубчатые колеса 1 с внешними и внутренними зубьями. В рабочей полости корпуса 3, очерченной в профиле по циклоидальной кривой, можно разместить некое тело (ротор) 2, которое своими выступами будет касаться корпуса в любом положении. Форма профиля рабочей полости и ротора зависит от соотношения диаметров образующих окружностей. Можно получить какое угодно количество выступов на роторе и соответствующее количество замкнутых объемов в рабочей полости корпуса. Для того, чтобы ротор машины не заклинивал в корпусе, одно зубчатое колесо устанавливают на роторе, а другое связывают с корпусом. В подобных машинах может вращаться как ротор, так и корпус либо и ротор, и корпус одновременно (биротронные машины). При вращении ротора относительно корпуса объемы, ограниченные выступами ротора, будут циклически изменять свою величину, и в них можно реализовать рабочие циклы ДВС. Для осуществления рабочего цикла дизеля разработаны двух- и трехроторные конструкции двигателей Банке ля.
Недостатками двигателя Ванкеля являются большие (на 10... 15 %), чем у современных поршневых кривошипно-шатунных ДВС, потери теплоты и эксплуатационные расходы моторного масла и топлива в связи с неблагоприятным соотношением площади поверхностей, ограничивающей внутрицилиндровыи объем, к этому объему, а также неоптимальностью физико-геометрических характеристик камер сжатия и сгорания.
С целью получения высокой компактности цилиндры ДВС могут быть расположены параллельно главному (выходному) валу. Такие конструкции получили название аксиально-поршневых. Схемы аксиально-поршневых двигателей (барабанного типа) представлены на рис. 1.5. Блок цилиндров этого двигателя имеет форму круглого полого барабана, вдоль периметра которого расположены цилиндры. Аксиально-поршневые двигатели могут быть выполнены конструктивно с одной или с двумя наклонными шайбами 4. В первом случае они будут иметь один ряд поршней 2, а во втором -два ряда. На рис. 1. 5, в изображен двигатель с вращающейся шайбой пространственного типа. Шайба имеет кривизну, которая изменяется в двух направлениях - радиальном и тангенциальном (касательном).
Принцип работы этого двигателя - такой же, как и у ДВС с плоской шайбой. Отличие здесь заключается в том, что число ходов каждого поршня равно общему (суммарному) числу максимумов и минимумов (выступов и впадин) поверхности шайбы.
Основной недостаток таких двигателей состоит в том, что в процессе их работы на поршни действуют большие радиальные силы, приводящие к быстрому износу деталей цилиндропоршневой группы. Кроме того, возникают значительные трудности при создании надежных и долговечных подшипниковых опор 3, а также шарнирных сочленений шайбы с главным валом 1.
Двигатель Меркера содержит ряд цилиндров, расположенных радиально и образующих единый блок - ротор - выполненный в виде многолучевой звезды и установленный на выходном валу. В роторе имеются каналы для подачи в цилиндры рабочей смеси.
В каждом цилиндре размещен поршень, снабженный роликами, контактирующими с беговой дорожкой силового кольца, охватывающего снаружи ротор. Беговая дорожка силового кольца описана сложным профилем и содержит участки, удаляющиеся от цилиндров, и приближающиеся к ним. Силовое кольцо связано с корпусом машины. Рис. 1.6. ДВС Меркера:
Двигатель Путина состоит из шести одинаковых (рис. 1. 7) секций. Две из них работают в режиме компрессора и служат для нагнетания рабочей (бензи-новоздушной) смеси в камеры четырех рабочих секций. Каждая секция имеет шесть одновременно вращающихся роторов, оси которых с помощью зубчатых зацеплений связаны с главным (выходным) валом двигателя. В процессе своего вращения роторы, размещенные между крышками секции, вступают в контакт друг с другом, образуя замкнутое пространство. На определенной доле полного оборота роторов это замкнутое пространство сохраняется, а на оставшейся части своего оборота роторы размыкаются, и междуроторное пространство становится разомкнутым. ной из рабочих кромок каждого ротора установлены уплотнительные элементы (лопатки). Преимущество ДВС Путина состоит в том, что степень расширения рабочего тела в нем превышает степень его сжатия примерно в два раза, а, следовательно, реализуется рабочий цикл с продолженным расширением, что ведет к снижению уровня шума и к более полному использованию внутренней энергии рабочего тела такого двигателя.
Основными недостатками двигателя Путина являются очевидная сложность и, как следствие, низкая надежность конструкции, а также возникновение высоких динамических (в том числе, ударных) рабочих нагрузок в механизме.
Обоснование предмета и объекта исследования
Очевидно, что значение функции у в уравнении (3. 7) представляет собой величину текущего перемещения поршня, выраженную, как и значение ординаты у в функциональной зависимости, характеризующей базовую кривую, в долях единицы, а, точнее, в долях двух единиц.
Амплитуда функции у в выражении (3. 7) равна двум единицам, причем полная величина этого значения состоит из двух равных частей (половин), абсолютное значение каждой из которых равно одной единице. При этом с математической точки зрения зависимость (3. 7) ведет себя таким образом, что определяет в процессе перемещения аргумента а вдоль оси абсцисс текущие отклонения функционально зависимых от этого а точек (ординат) соответствующих полупериодов данной кривой вверх и вниз от ее средней линии (оси симметрии), задаваемой уравнением (3. 4).
Следовательно, ординатная высота каждого полупериода, соответствующего участку базовой кривой сверху или снизу относительно средней линии между точками пересечения с ней - расстояние по оси ординат от средней линии базовой кривой до проекции одной из экстремальных точек (максимума или минимума) на эту ось - равна единице и подобна величине Значит, для того, чтобы перейти при анализе единиц измерения перемещения поршня от безразмерных параметров (непосредственно «единицы»), для которых справедливо выражение (3. 7), к размерным (мм, см, м и т. д.), в которых измеряются s и, соответственно, Sn, необходимо подставить в уравнение (3. 7) второе значение коэффициента подобия а, а именно a = f. (3.9)
При этом значение полученной функции будет представлять собой величину текущего хода поршня, выраженную в единицах измерения S в зависимости от заданного текущего значения а: - уравнение перемещения поршня БКПМ с двухпериодным преобразующим механизмом. Однако, взять производную по времени непосредственно от этого выражения не представляется возможным, так как данная функциональная зависимость имеет вид у = f(a). Для этого используется известный математический прием:
Ускорение поршня Ускорение прямолинейного возвратно-поступательного движения поршня есть первая производная по времени і от скорости его перемещения. По аналогии со скоростью перемещения поршня выражение есть уравнение ускорения движения поршня БКПМ нового типа с двухпериодным преобразующим механизмом.
Графики изменения перемещения, скорости и ускорения движения поршня БЬСПМ в течение одного полного оборота поршня (вала), построенные с использованием выражений (3. 10), (3. 14) и (3. 15), представлены на рис. 3. 4.
Кривые, отражающие характер поведения перемещения 5, скорости v и ускорения J движения поршня БКПМ нового типа с двухпериодным преобразующим механизмом 3.3. Обобщенная модель кинематических параметров бескривошипной машины
Ниже приведены функциональные зависимости перемещения (пути) s, скорости v и ускорения движения поршня БКПМ нового типа от угла поворота а поршня (вала) этой машины, справедливые для расчета указанных параметров состояния кинематической системы машины с двухпериодной, синусоидальной беговой дорожкой:
В процессе анализа данных зависимостей можно сделать вывод о том, что эти выражения содержат общие постоянные коэффициенты (константы), которые отражают, очевидно, соотношение между величиной одного полного оборота поршня (вала) БКПМ и числом целых периодов базовой (характерной) кривой, образующей среднюю линию продольного профиля беговой дорожки (задающего элемента), приходящихся на один оборот.
Рассмотрим общий случай, когда беговая дорожка содержит Лг полных периодов синусоидальной кривой.
В этом случае выражения для перемещения, скорости и ускорения движения поршня «обобщенной» БКПМ можно записать, выделив из соответствующих уравнений, относящихся к
Как отмечено в разделе 3. 2, за время обкатывания телом вращения преобразующего механизма БКПМ одного целого периода беговой дорожки поршень совершает два полных хода. Значит, имеет место равенство: NX=2N. (3.19)
Следовательно, число периодов указанной беговой дорожки должно быть равно количеству тел вращения (точек опоры), на которое опирается и с которыми взаимодействует задающий элемент. В случае, когда БКПМ содержит несколько задающих элементов, данное правило должно выполняться для каждого из них.
Рассмотрим теперь вопрос тактности применительно к различным способам осуществления рабочего цикла БКПМ нового типа, реализуемой в качестве поршневого двигателя внутреннего сгорания. Не вдаваясь в существо весьма оригинальных (например, шеститактных) способов организации процессов, составляющих рабочий цикл двигателя, отметим, что действие БКПМ нового типа может быть основано на использовании двух- или четырехтактной схемы рабочего цикла ДВС.
Абсолютная величина угла поворота поршня (вала) БКПМ, соответствующая одному полному рабочему циклу (величина циклового угла) и равная разности между конечным и начальным значениями соответствующих углов поворота этого поршня (вала), будет определяться соотношениями:
Начальные углы поворота поршня (вала) а#, соответствующие начальному положению поршня, которое задается при расчете и анализе процессов рабочего цикла, а также параметров состояния кинематической и динамической систем БКПМ, определяется в каждом конкретном случае исходя из учета совокупности начальных и граничных условий, рассмотренных в разделе 3.1.
Обобщенная модель кинематических параметров бескривошипной машины
Форма того или иного типа продольного профиля беговой дорожки определяется видом характерной (базовой) кривой, образующей среднюю линию этой дорожки. Вид характерной кривой, в свою очередь, может быть полностью задан функциональной зависимостью перемещения $ поршня БКПМ от угла его поворота а (или, что то же самое, от угла поворота а выходного (главного) вала машины).
Таким образом, в настоящем подразделе работы определяются законы перемещения поршня БКПМ, характеризующие названные формы продольных профилей беговых дорожек. Синусоидальный равномерный профиль Синусоидальный (косинусоидальный) равномерный (постоянного шага, или с постоянными длинами (периодами) составляющих участков базовой линии Т = const) профиль образован характерной кривой, поведение которой отражается функциональной зависимостью перемещения поршня, полученной в разделе 2, а также в обобщенном виде и, в частности, для экспериментального объекта. Профиль данного вида может быть применен в нетрадиционных поршневых тепловых машинах, использующих принцип преобразования движения, аналогичный заложенному в основу конструктивной схемы БКПМ, обладающих, в свою очередь, любым типом конструктивного решения элементов силовой кинематической цепи. Однако, это допустимо только в тагсих случаях, когда выбранное (или определенное расчетным путем) отношение S/D такой машины (как при равенстве диаметров цилиндра D и реактивного Dp, так и при их отличии, в частности, когда DP D) не вызывает возникновения отрицательных явлений в преобразующем механизме, таких, как, например, нарушение условий работоспособности и переход механизма машины в режим самоторможения (то есть, при выходе действительных значений максимальных углов наклона беговой дорожки (задающего элемента) за рекомендуемые пределы). Синусоидальный неравномерный профиль
Необходимость применения неравномерного (с неравными периодами составляющих участков базовой линии) синусоидального (косинусоидального) профиля беговой дорожки в механизме преобразования движения БКПМ (или принципиально аналогичной ПТМ) может возникнуть в тех случаях, когда требуется задание строго определенного значения угла наклона этой дорожки (или его лимитирование) на каждом из характерных участков. В этом случае максимальные углы наклона участков, например, сжатия и расширения рабочего тела характерной кривой (беговой дорожки) ftj и ft2 будут отличны друг от друга. При этом, как следует из анализа соответствующих функциональных зависимостей, справедливых для беговой дорожки равномерного синусоидального продольного профиля, полученных в разделе 2, в качестве независимых переменных при определении формы неравномерного синусоидального профиля могут быть приняты, в общем случае, значения величин S, D, (Зтах], f$maX2 и DP и, в частности, для экспериментального объекта (когда D = DP) величины S, D, fimaxl и Ртахг- При этом возможны различные варианты задания трех из четырех значений названных величин в качестве исходных и определение четвертого как функционально зависимого от первых трех. С технической точки зрения наиболее рационален такой вариант, когда заданными параметрами конструктивной схемы БКПМ (или принципиально аналогичного объекта) будут являться значения ($тах1, Ртахг и А а искомым - величина хода поршня S. Однако, для реального объекта более целесообразен другой вариант постановки задачи исследования, а именно: заданы значения S, D и (}тах1 (максимально допустимая величина угла наклона беговой дорожки на наиболее ответственном отрезке рабочего цикла БКПМ-ДВС - участке сжатия рабочего тела), и требуется определить Ртахз (значение величины угла наклона беговой дорожки на участке расширения), Уравнения, отражающие функциональные зависимости, которые характеризуют данную форму продольного профиля беговой дорожки «однопериод-ной» БКПМ, будут иметь следующий вид:
Прямолинейный равномерный профиль беговой дорожки (задающего элемента) преобразующего механизма БКПМ конструктивно и технологически более прост, чем соответствующий (равномерный) синусоидальный профиль. Однако, с точки зрения обеспечения возможно большей плавности и безударности работы основных силовых элементов кинематической цепи такой машины он несколько уступает синусоидальному за счет более высокого уровня градиента (динамики изменения) угла наклона прямолинейной беговой дорожки вблизи крайних положений поршня.
Выражения, записанные для БКПМ, обладающего задающим элементом с прямолинейной неравномерной беговой дорожкой в случае, когда заданы S, D и flj (угол наклона беговой дорожки на участке сжатия рабочего тела), а угол наклона дорожки на участке расширения рабочего тела Д. функционально зависим от первых трех параметров, будут иметь следующий вид:
Прямолинейный неравномерный продольный профиль беговой дорожки и? їеет тот же основной недостаток, что и равномерный прямолинейный профиль. Однако, задающий элемент кинематической цепи преобразующего механизма БКПМ с неравномерным прямолинейным продольным профилем беговой дорожки позволяет в некоторых случаях обеспечить более благоприятные характеристики динамических процессов, протекающих в такой машине.
Оценка влияния закона перемещения поршня на динамические параметры бескривошипной машины
Рабочий стол лабораторной исследовательской установки «микро-БКПМ нового типа - двигатель внутреннего сгорания». Общий вид - рукоятка управления подачей топлива с фрикционом сухого трения и тягой, соединенной с рычагом управления положением золотника карбюратора; - ротационный роликовый безынерционный счетчик числа оборотов главного вала двигателя, соединяемый в процессе осуществления измерений с боковой (образующей) поверхностью маховика фрикционной кинематической парой сухого трения; - откидной кожух безопасности воздушного винта с предохранительной решеткой; - пусковой питающий провод с наконечником свечи зажигания и постоянным контактом «массы». Рабочий стол обеспечивает надежную фиксацию экспериментального объекта в необходимом по условиям проведения эксперимента положении, а также возможность непрерывного и четкого взаимодействия этого объекта с другими функциональными узлами лабораторной установки и целенаправленного влияния на данный объект со стороны внешних устройств в процессе осуществления исследовательских работ.
Блок электронного управления. Функциональное назначение блока электронного управления ясно из названия этого структурного элемента лабораторной установки и специальных пояснений не требует.
Универсальный источник стабилизированного питания. Универсальный источник стабилизированного электропитания обеспечивает подачу стабилизированного напряжения любого типа (-/ ) соответствующей величины на свечу зажигания, а также (в случае необходимости) питание от электросети напряжением -220 В рабочего элемента устройства для облегчения пуска БКПМ в условиях низкой температуры воздуха (окружающей среды).
Поршневой двухтактный микродвигатель внутреннего сгорания, созданный на базе БКПМ нового типа, отличается повышенной чувствительностью к изменению температуры впускного заряда, или окружающей среды, особенно в области, близкой к О С в положительном диапазоне, и при отрицательных температурах наружного (по отношению к внутрицилиндровому пространству) воздуха. Поэтому при температурах окружающей среды, не превышающих +5 С, для надежного запуска БКПМ в условиях проведения экспериментальных работ представляется целесообразным использование устройства для облегчения пуска.
. Устройство инерционного запуска.
Наряду с ручным пуском в процессе проведения опытно-экспериментальных исследований на лабораторной установке «БКПМ нового типа - двигатель внутреннего сгорания» может быть использован механический пуск микродвигателя при помощи устройства инерционного запуска. Данное устройство представляет собой повышающий редуктор (мультипликатор) с большим передаточным отношением (порядка і = 80), снабженный массивным маховиком на выходном валу. Маховик оборудован фрикционом сухого трения специальной конструкции для обеспечения возможности взаимодействия с коком воздушного винта (или с контргайкой маховика) при запуске двигателя.
Магазин топливных смесей. Магазин топливных смесей необходим для целенаправленного (в зависимости от конкретных условий проведения эксперимента) выбора такой топливной смеси, которая в наибольшей степени благоприятствует осуществлению быстрого запуска микродвигателя внутреннего сгорания и выходу его на устойчивый, установившийся режим работы.
В ходе проведения опытно-экспериментальных исследований бескривошипной машины нового типа, выполненной в качестве поршневого малоразмерного двигателя внутреннего сгорания, достигнута кратковременная, относительно устойчивая, без помощи внешних источников механической энергии ее работа на пусковых режимах при частоте вращения вала 600... 800 мин .
Результаты индицирования максимального давления рабочего тела в цилиндре бескривошипного двигателя при помощи оригинального датчика (общее устройство контактного датчика максимального давления и схема его установки не двигателе представлены на рис. 5. 15) показали удовлетворительную сходимость результатов расчетно-теоретического прогнозирования основных параметров и характеристик такой машины, полученных с использованием разработанного логико-математического аппарата, с действительными показателями исследуемой бескривошипной машины. Лабораторная исследовательская установка на базе БКПМ «микро-БКПМ нового типа - поршневая машина для создания избыточного давления рабочего тела» БКПМ нового типа, являющаяся объектом исследования настоящей работы, является обратимой поршневой тепловой машиной [111]. Поэтому в качестве одного из вариантов исполнения конструктивной схемы данной машины было принято решение о реализации на основе БКПМ нового типа поршневой машины, предназначенной для создания избыточного давления рабочего тела (насос или компрессор). Рабочим телом полученной таким образом машины является воздух.
Для проведения комплекса испытательных и опытно-конструкторских работ, связанных с определением характеристик бескривошипного поршневого компрессора, а также доводки отдельных деталей, узлов, агрегатов и систем микро-БКПМ была изготовлена лабораторная исследовательская установка «микро-БКПМ нового типа - поршневая машина для создания избыточного давления рабочего тела», общее устройство и принцип работы которой поясняются при помощи рис. 5. 16 и 5. 17. Лабораторная установка «микро-БКПМ нового типа - поршневая машина для создания избыточного давления рабочего тела» включает, в основном, те же основные функциональные блоки, что и установка «микро-БКПМ нового типа - двигатель внутреннего сгорания» и может быть детерминирована, соответственно, структурной схемой, аналогичной той, которая приведена на рис. 5. 13.
