УДК 621.512: 621.651

Лысенко Е.А., Болштянский А. П., Ивахненко Т.А.

СИНТЕЗ БЕЗВИБРАЦИОННОГО МЕХАНИЗМА ДВИЖЕНИЯ ПОРШНЕВОГО КОМПРЕССОРА С ГАЗОВЫМ ПОДВЕСОМ ПОРШНЯ

Омский государственный технический университет

 

Введение: На сегодняшний момент поршневые компрессоры с газостатическим центрированием поршня (ПКГЦП) является объектом техники, не нашедшем, по ряду объективных причин, широкого применения. Как указывают авторы [1], известно лишь несколько случаев реального применения этого компрессора. Причем в одном из этих случаев [2] в качестве привода использовался линейный электромагнит, теоретически не создающий боковых усилий на поршне, т.к. создатели ПКГЦП всегда вынуждены стремиться к уменьшению боковых усилий, действующих на поршень.

Условие бесконтактной работы поршня компрессора определяется равенством несущей способности газового подвеса и боковой силы, действующей на поршень со стороны механизма привода и внешних сил при относительном эксцентриситете положения поршня в цилиндре значительно меньшем единицы. Обычно принято считать, что газовый подвес работоспособен, если величина относительного эксцентриситета не превышает 0,5 [1].

В то же время, хорошо известно, что в обычных системах питания газовых подвесов, высокая жесткость несущего газового слоя может быть достигнута только за счет увеличения расхода газа на центрирование или развитием рабочей поверхности, что не всегда возможно из конструктивных соображений.[3-7].

В связи с выше сказанным, повышение эффективности работы ПКГЦП может быть достигнуто в основном за счет снижения боковых нагрузок на газовый подвес поршня, которое при прочих равных условиях может обеспечить снижение расхода газа, требуемого на центрирование поршня.

Величина боковых усилий, действующих на поршень, во многом зависит от конструкций механизма привода, в связи с чем целесообразно рассмотреть их на предмет целесообразности использования в ПКГЦП.

Анализ информации о приводах поршневых машин позволил установить, что на сегодняшний день наиболее широко используются следующие механизмы: кривошипно-шатунный, кривошипно-ползунный, кривошипно-кулисный (λ- образные механизмы), многозвенный шарнирный, кривошипный двухвальный, кулачковый, кривошипный орбитальный (механизм Баландина), линейный (электромагнитный, пневматический или гидравлический (в т.ч. дизель-компрессоры). Рассмотрим эти механизмы.

Кривошипно-шатунный привод

Является наиболее распространенным в поршневых машинах благодаря конструктивной простоте и хорошо отработанной технологии изготовления (рис.1).

При одном и том же законе и частоте движения поршня, определяющих ускорение и силу инерции FИН, перепаде давления на поршне (∆Р=Рi‑РК), определяющем газовую силу FГ, величина бокового усилия FБОК зависит от угла наклона β между шатуном и осью цилиндра. В свою очередь, максимальное значение этого угла для одного и того же полного хода поршня Sh зависит от отношения радиуса кривошипа rК к длине шатуна lШ - чем больше это отношение, тем больше β и тем, следовательно, больше FБОК и должна быть больше несущая способность WП газового подвеса.

Кривошипно-ползунный привод

Это один из наиболее простых по конструкции механизмов, обеспечивающих преобразование вращательного движения в возвратно-поступательное и наоборот (рис. 2).

 

 

Рис. 1 Схема сил, действующих на газовый подвес поршня в центральном кривошипно-шатунном механизме привода, а – схема механизма, б –силы, действующие на поршень вдоль оси цилиндра, в ‑ схема возникновения боковой нагрузки: 1. Коленчатый вал. 2. Кривошип. 3. Шатун. 4. Цилиндр. 5. Ось продольной симметрии газового подвеса поршня. 6. Газовый подвес поршня. 7. Уплотняющая часть поршня

Как правило, применяется механизм центрального (симметричного) типа. Основным недостатком, сдерживающим его использование в воздушных и газовых компрессорных машинах, является сложность применения трения качения в сопряжении «ползун - паз», в связи с чем в этом сопряжении устанавливаются в основном подшипники скольжения, требующие смазки.

Из приведенных на рис. 1-2 схем хорошо видно, что сила со стороны привода FПР, сила трения FТР и силы, возникающие от перепада давления на поршне и от инерционных нагрузок FΣ образуют пару сил, создающих опрокидывающий момент, для уравновешивания которого нужна соответствующая пара сил со стороны газового подвеса поршня.

 

Рис. 2 Схема ступени ПКГЦП с центральным кривошипно-ползунным приводом:

1. Коленчатый вал. 2. Кривошип коленчатого вала. 3. Ползун. 4. Кулиса. 5. Паз кулисы. 6. Цилиндр. 7. Газовый подвес поршня. 8. Уплотняющая часть поршня

 

В данной конструкции  рис. 2, эта пара сил (WП1 и WП2) образуется единичным газовым подвесом и является для него перекашивающей. В то же время, хорошо известно, что газовые подвесы очень плохо сопротивляются перекашивающим нагрузкам  [6].

Очевидно, что в первом варианте добиться снижения требуемой реакции газовых сил со стороны подвеса можно только за счет раздвижки поясов наддува газа, т.е., фактически, за счет удлинения поршня.

Таким образом, в конструкции ПКГЦП с кривошипно-ползунным механизмом привода снижение расхода газа на центрирование поршня требует увеличения габаритов компрессора в направлении оси цилиндра. Кроме того, полностью боковые усилия, действующие на газовый подвес поршня со стороны привода, так же, как и в кривошипно-шатунном механизме, убрать или компенсировать невозможно.

Кривошипно-кулисный механизм

При рассмотрении кинематики кривошипно-кулисного механизма (рис. 3) хорошо видно, что боковые силы, возникающие под действием перепада давления на поршне из-за отклонения шатуна от оси цилиндра (угол β, расстояние А) при прочих равных условиях зависят от длины LК кулисы 4.

 

Подпись: Sh

Рис. 3 Схема ПКГЦП с кривошипно- кулисным механизмом привода:

1. Цилиндр. 2. Поршень с газовым подвесом. 3. Шатун. 4. Кулиса. 5. Ползун. 6. Кривошип коленчатого вала. 7. Коленчатый вал. 8. Неподвижный шарнир

 

Увеличение LК при одном и том же ходе закрепленного на ее конце шатуна 3 с поршнем 2 приводит к уменьшению смещения А точки крепления шатуна к кулисе относительно оси цилиндра и уменьшению боковой силы, действующей на поршень, что хорошо видно на (рис. 4), где показаны два варианта кривошипно-кулисного механизма, обеспечивающих один и тот же ход поршня при разных длинах кулисы.

Кроме того, так же как и в кривошипно-шатунном механизме, в кривошипно-кулисном снижения боковых нагрузок на поршень можно добиться увеличением длины шатуна. Такое конструктивное мероприятие сравнительно резко увеличивает габариты компрессора.

 

Подпись: Sh

Рис. 4. Изменение смещения точки А крепления шатуна к кулисе относительно оси цилиндра при изменении длины кулисы, жирными линиями показана схема механизма с относительно короткой кулисой (индекс «1», тонкими – с относительно длинной кулисой (индекс «2»)

 

С точки зрения возможности сравнительно простой компенсации инерционных нагрузок, компрессор с кривошипно-ползунным приводом следует признать конструктивно неудачным, т.к. при равномерном вращении приводного вала такие массивные элементы, как кулиса, шатун, поршень совершают не просто неравномерное движение, но движение ацикличное, при котором скорость перемещения этих элементов в одну сторону не равна скорости перемещения в другую сторону.

 

Многозвенный шарнирный привод

Попытки создания прямолинейно-направляющих механизмов (прямил), преобразующих вращение в поступательное движение точно по прямой линии были начаты в России еще в 18-м веке. В 1871 г. был изобретен многозвенный инверсор, позволяющий преобразовать вращательное движение в поступательное по точной прямой (рис. 5).

 

 

Рис. 5 Многозвенный шарнирный механизм для преобразования вращательного движения по окружности Г вокруг точки О1 в прямолинейное движение точки М по прямой Г1

 

Однако многие ученые указывали, что в конструкции понадобиться использовать много шарниров и рычагов, а, вследствие существования в них зазоров, точное прямило может дать худший результат, чем приближенное.

В качестве доказательства этого положения рассмотрим один из возможных вариантов подобной конструкции (рис. 6).

Теоретически в данной конструкции, при отсутствии зазоров, идеальном исполнении межцентровых расстояний в рычагах и абсолютно точном изготовлении зубчатого зацепления, крепления поршня и положения оси цилиндра боковые усилия на поршне должны отсутствовать.

Однако реально предложенный механизм содержит 10 сочленений, каждое из которых при изготовлении вносит свою долю в общую суммарную погрешность, в связи, с чем траектория движения поршня будет существенно отличаться от прямолинейной.

Рис. 6 Многозвенный шарнирный механизм для преобразования вращательного движения в возвратно-поступательное перемещение по точной прямой линии: 1. Корпус. 2. Цилиндр. 3. Поршень. 4. Верхний шарнир крепления поршня. 5. Основной шатун. 6. Нижний шарнир крепления поршня. 7, 8. Рычаги. 9‑12. Дополнительные шатуны. 13, 14. Коленчатые валы. 15, 16. Синхронизирующие шестерни – маховики.

17, 18. Кривошипы коленчатых валов.

19, 20. Шатунные шейки коленчатых валов

 

Кроме того, уравнение динамики движения поршня, очевидно, содержит силы инерции второго порядка, в связи с чем уравновешивание такой конструкции окажется затруднительным. Подобные технические решения, в том числе и без синхронизирующих шестерен, содержатся и в других многочисленных конструкциях механизмов привода. Во многих из них силы инерции, возникающие при движении рычагов, не могут быть уравновешены установкой противовесов.

Кривошипный двухвальный привод

В принципе кривошипный двухвальный привод является частным случаем многозвенного шарнирного и рассматривается здесь отдельно только в связи с тем, что отличается простотой и принципиальной возможностью реального воплощения в качестве привода ПКГЦП. Его принципиальная схема приведена на (рис. 7).

 

Рис. 7. Конструктивная схема ПКГЦП с кривошипным двухвальным приводом, а – схема компрессора, б – схема действующих сил в точке крепления поршня:

1. Цилиндр. 2. Поршень. 3, 4. Шатуны. 5, 6. Кривошипы. 7, 8. Коленчатые валы. 9, 10. Синхронизирующие шестерни

 

Первые сведения о попытках использования кривошипного двухвального привода в поршневых машинах относятся к началу 30-х годов прошлого столетия. В то же время, несмотря на простоту конструкции, этот вид привода не нашел широкого применения в промышленности. Скорее всего, это должно быть связано с невозможностью полной реализации положительных качеств, заложенных в данном техническом решении, из-за неизбежной погрешности изготовления. То есть ему присущи все недостатки, характерные для многозвенных шарнирных механизмов, на которые указано выше.

Попытка усовершенствования двухвальных механизмов привода поршневых машин связана с использованием в их конструкции встроенных электродвигателей и кинематической развязки привода и поршня [8], позволяющей допустить некоторую неточность в изготовлении без существенных отрицательных последствий (рис. 8).

В данной конструкции якоря 6 под действием электромагнитных сил, создаваемых пульсирующим током, протекающим через обмотки статора 5 и обмотки якоря 9, совершают колебательное движение вокруг осей 8, которое через зубья 7 и впадину 10 передаются штоку 3 с поршнями 2. По существу, здесь имеет место реечное зацепление, в связи с чем количество зубьев и, соответственно, впадин может быть больше единицы. Одновременно якоря 6 могут выполнять функцию противовесов.

 

Рис. 8 Конструктивная схема оппозитного ПКГЦП с двухвальным электромагнитным приводом:

1. Цилиндр. 2. Поршень 3. Общий шток. 4. Корпус. 5. Обмотка статора. 6. Якорь. 7. Выступ.  8. Неподвижная ось. 9. Обмотка якоря. 10. Впадина

 

Если сравнивать данную конструкцию с «классическим» двухвальным приводом (рис. 7), то можно заметить, что зубья 7 здесь играют роль кривошипов коленчатого вала, которые передают крутящий момент без шатунов, сразу преобразуя вращательное движение в прямолинейное. В этом данный механизм схож с кривошипно-ползунным (рис. 2). Т. е. – он является синтезом этих двух механизмов, и наследует их лучшие положительные качества: теоретически отсутствуют боковые усилия на поршне, имеется возможность полного уравновешивания подвижных частей.

Однако, у данной конструкции есть и недостатки. Основной из них - необходимость создания пульсирующего в противоположных направлениях тока. То есть – данное техническое решение предполагает наличие специального источника электроэнергии, что существенно усложняет его реальное применение.

 

Кулачковый приводной механизм

Кулачковые механизмы нашли чрезвычайно широкое применение в различных отраслях техники (двигателестроение, станкостроение, приборостроение и т.д.). Основным недостатком традиционного кулачкового привода являются большие силы трения и перекашивающие усилия, передаваемые им на выходное звено, выполненное в виде поршневого узла (рис. 9). Кроме того, такой привод должен иметь устройство возврата, в качестве которого, чаще всего, используются пружины, вносящие известные проблемы при проектировании надежных конструкций. Из рисунка видно, что при передаче движения от кулачка к поршню имеет место пара сил, опрокидывающая поршень. Как уже было сказано выше, это обстоятельство чрезвычайно негативно влияет на работоспособность газового подвеса.

Некоторой разновидностью кулачковых приводов является привод с использованием профилированных выступов или впадин (или и того и другого одновременно), которые располагаются на поверхности поршня и (или) цилиндра, или вспомогательной детали.

Рис. 9 Схема ПКГЦП с кулачковым приводом, а ‑ передача движения парой скольжения, б – передача движения парой качения:

1. Поршень с газовым подвесом. 2. Цилиндр. 3. Шток. 4. Пружина возврата. 5. Пята. 6. Кулачок. 7. Приводной вал. 8. Подшипник качения. 9. Ось крепления пяты к штоку

 

При этом поршень, или связанная с ним вспомогательная деталь, совершает вращательное движение вокруг своей оси, и через тело качения (шарик, ролик, подшипник качения) получает возвратно-поступательное движение. На (рис. 10) изображено трансформированное для поршневого компрессора с газовым подвесом поршня техническое решение, описанное в [9] как «Холодильно-газовая машина».

Однако все конструкции с криволинейным кулачковым механизмом движения страдают одним и тем же, но весьма существенным недостатком, который, вероятно, и привел к тому, что ни одна из них в настоящее время не используется в качестве привода компрессоров.

 

 

 

Рис. 10 Конструктивная схема ПКГЦП с кулачковым приводом, выполненным в виде синусоидальной канавкой:

1. Цилиндр. 2. Поршень с газовым подвесом. 3. Верхний шарнир крепления поршня. 4. Шток. 5. Корпус направляющей. 6. Нижний шарнир крепления поршня. 7. Верхний кулачок. 8, 13. Комплект шариков (сепараторы условно не показаны). 9 «Прямая» синусоидальная канавка. 10. Круговая канавка. 11. Шлицевой вал. 12. Нижний кулачек со шлицевым отверстием. 14. «Ответная» синусоидальная канавка. 15. Круговая канавка. 16. Короткозамкнутые обмотки ротора асинхронного двигателя. 17. Обмотки статора асинхронного двигателя

 

Этот недостаток – в технологической сложности изготовления точных криволинейных поверхностей и сохранении этой точности в течение достаточно длительного срока работы.

Кривошипный орбитальный механизм

Данный тип механизма был предложен отечественным ученым С.С. Баландиным в 1958 году специально для двигателей внутреннего сгорания. Однако, несмотря на кажущуюся простоту данного технического решения и его перспективность для двигателестроения, в качестве двигателя внутреннего сгорания этот механизм до сих пор не используется. Скорее всего, это связано с громоздкой пространственной компоновкой, не отвечающей высоким требованиям по компактности, которые предъявляются к современным автомобилям, а также со сложной формой составного коленчатого вала (рис. 11).

Рис. 11 Схема кривошипного бесшатунного механизма Баландина:

1. Ведущий кривошип. 2. Опора ведущего кривошипа. 3. Шейка ведущего кривошипа. 4. Коленчатый вал. 5, 16. Опорные шейки коленчатого вала. 6, 13. Шатунные шейки коленчатого вала. 7, 14. Шейки оппозитных поршней. 8, 10, 12, 19. Цилиндры. 9, 11. Оппозитные поршни. 15. Шейка ведомого кривошипа. 17. Ведомый кривошип. 18. Опорная шейка ведомого кривошипа.

Теоретически, при абсолютно точном изготовлении деталей привода (особенно – радиусов и взаимного положения шеек ведущего кривошипного, основного коленчатого и ведомого кривошипного валов) он должен обеспечивать строго прямолинейное движение четырех спаренных поршней.

Однако, как показала практика, реально колебания траектории поршней даже при неизношенных механизмах движения в радиальном направлении достигают 0,1 мм и более. Эта величина существенно превышает зазоры в цилиндропоршневой паре ПКГЦП, при которых возможна его экономичная работа.

Кроме того, большим неудобством использования механизма Баландина для привода ПКГЦП является обязательное использование четырех поршней, движущихся в перпендикулярном направлении. Эта особенность практически сводит на «нет» возможность проектирования малорасходных и микрорасходных компрессоров с газовой поддержкой поршня.

Линейный (электромагнитный) привод

На первый взгляд, одним из наиболее перспективных типов привода для ПКГЦП, безусловно, является электромагнитный. Очевидно, поэтому первые промышленные образцы ПКГЦП были изготовлены именно с таким приводом [2, 10], а его отличительной особенностью являются теоретически минимальные боковые усилия, действующие на поршень (рис. 12).

 

Рис. 12 Принципиальная схема одного из возможных вариантов ПКГЦП с электромагнитным (линейным) приводом:

1. Клапанная коробка (крышка). 2. Камера сжатия. 3. Уплотняющая часть поршня.  4. Зона газового подвеса. 5. Якорь электромагнита.  6. ‑ Обмотка статора. 7. Пружина возврата поршня. 8. Статор электромагнита.

 

Основным недостатком электромагнитного привода следует считать в данном случае сложность в организации нормальных для ПК соотношений между диаметром поршня и его ходом с учетом того, что для относительно малых ходов характерны большие расходы на центрирование поршня. В то же время организация относительно большого хода поршня в таких приводах имеет известные трудности. Существуют также определенные проблемы с точной остановкой поршня в мертвых точках. Положительным качеством данного типа привода можно считать достаточно просто реализуемую возможность полного гашения сил инерции за счет выполнения компрессора с двумя противофазно движущимися поршнями.

Пневматический и гидравлический привод

Применение этих типов привода в компрессорных машинах может быть оправдано только при работе в специальных условиях. Так, например, дизель-компрессоры применяются в передвижных компрессорных станциях при отсутствии достаточно мощных местных источников электроэнергии. Пневматический или гидравлический привод может использоваться в огнеопасных или электроопасных условиях.

Синтез перспективной конструкции привода ПКГЦП

В настоящее время имеется достаточно литературных источников, в которых описаны процедуры синтеза технических решений, обладающих необходимыми для проектировщика свойствами [11-14]. Все авторы утверждают, что основой синтеза является выделение целей, которые преследует проектировщик, определение накладываемых ограничений, создание базы данных о проектируемом объекте (проведение информационного поиска).

Целью исследования является, как уже было отмечено выше, поиск и подготовка к реализации технических решений, снижающих боковые и вибрационные нагрузки на газовый подвес поршня ПКГЦП. Ранее была создана информационная база, которая может стать основой для дальнейшего поиска удовлетворяющей цели конструкции компрессора. Для ее корректного использования следует, прежде всего, определить систему поиска, которая может выглядеть как метод последовательного исключения конструкций, принципиально не обладающих необходимыми свойствами (рис. 13). Последовательное выполнение нумерованных процедур 1 ‑ 8 позволяет выбрать те конструктивные признаки из всех рассмотренных ранее технических решений, которые могут в дальнейшем участвовать в синтезе окончательного варианта компрессора с газовым подвесом поршня. При этом процесс «исключения» конструкции при переходе процедуры от низшего номера к высшему сопровождается выделением этих конструктивных признаков.

 

Рис. 13 Схема поиска перечня конструктивных признаков для синтеза окончательного варианта конструкции ПКГЦП, подлежащего исследованию

 

Процедура 1. Создание базы данных

Создана база конструкций и их конструктивных признаков.

Процедура 2. Анализ возможности исключения боковых усилий  на поршне.

Невозможно принципиально исключить боковые усилия в следующих конструкциях привода: кривошипно-шатунный бескрейцкопфный; кивошипно-кулисный; кивошипно-ползунный; традиционный кулачковый.

Перспективные конструктивные признаки этих механизмов: возможность полного уравновешивания сил инерции в кривошипно-ползунном приводе; возможность варьирования законом перемещения поршня в традиционно кулачковом приводе.

Процедура 3. Перечень конструкций, в которых возможно исключение боковых усилий на поршне: двухвальный, в т.ч. двухвальный электромагнитный (рис. 9); механизм Баландина; многозвенный шарнирный; кулачковый с вращающимся поршнем (рис. 11); электромагнитный.

Процедура 4. Анализ технологических сложностей, возникающих при реализации конструкции

Невозможно изготовить ПКГЦП малой и особо малой производительности со следующими механизмами привода: механизм Баландина; многозвенный шарнирный; кулачковый с вращающимся поршнем.

Перспективные конструктивные признаки этих механизмов: возможность полной компенсации сил инерции в кулачковом механизме с вращающимся ротором.

Процедура 5. Конструкции, обладающие необходимыми технологическими свойствами: двухвальный, в т.ч. двухвальный электромагнитный (рис. 8); электромагнитный.

Процедуры 6‑7. Перечень конструкций, в которых возможна полная компенсация сил инерции: двухвальный электромагнитный (рис. 8); электромагнитный с двумя поршнями, движущимися в противофазе.

Однако, как уже указывалось выше, применение электромагнитного привода осложнено необходимостью использования достаточно сложных электронных устройств, обеспечивающих как подачу рабочих импульсов на обмотки электромагнита, так и остановку поршня (или поршней) в крайних мертвых точках.

Процедура 8. Выбор конструктивных признаков и синтез механизма привода.

Рассматривая результаты поиска, следует выделить следующие технологически возможные для ПКГЦП малой и особо малой производительности конструктивные признаки, обеспечивающие поставленные цели:

Отсутствие боковых усилий и прямолинейное движение поршня обеспечивается встречным движением элементов, передающих усилие на поршень.

Полная компенсация сил инерции, вызывающих вибрационные нагрузки, возможна за счет организации движения элементов конструкции привода в противофазе, при этом силы инерции второго порядка должны отсутствовать.

Первый признак присутствует в двухвальном механизме, второй (частично) в кривошипно-ползунном. Соединение этих механизмов в единый может обеспечить поставленную цель.

Такой механизм был предложен и запатентован в 2008г. в ОмГТУ,  его схема приведена на (рис. 14), где схематично изображено продольное сечение поршневого компрессора с двумя оппозитными поршнями (блоком поршней), один из которых (верхний по рисунку) находится в верхней мертвой точке (в верхнем цилиндре заканчивается процесс нагнетания), а другой (нижний по рисунку) находится в положении нижней мертвой точки (в нижнем цилиндре заканчивается процесс всасывания).

На (рис. 15) изображено поперечное сечение компрессора (вид а в направлении стрелки «А» ( рис. 14) ), а на вид б  – этот же вид при среднем (относительно корпуса машины) положении поршней, когда они оба движутся вниз (в верхнем цилиндре идет процесс всасывания, в нижнем – процесс нагнетания).

Компрессор (рис. 14‑15) состоит из первого 1 и второго 2 цилиндров, снабженных всасывающими, соответственно 3 и 4, и нагнетательными, соответственно, 5 и 6 клапанами. В цилиндрах 1 и 2 размешены, соответственно, поршни 7 и 8, образующие блок поршней, соединенные с общим механизмом привода, выполненным в виде кулисы 9 с пазом 10. В пазу 10 установлены первый 11 и второй 12 кривошипы, жестко соединенные с первым 13 и вторым 14 валом приводных двигателей (в данном примере – электродвигателей), причем вал 13 имеет сквозное отверстие 15, через которое проходит вал 14.

 

 

Рис. 14 Схема продольного сечения конструкции оппозитного компрессора с совмещенными электродвигателями

 

Оба электродвигателя (первый и второй) имеют общий корпус 16, статорные обмотки, соответственно, 17 и 18, соединенные с источником напряжения, и роторные обмотки 19 и 20, например, коротко замкнутого типа (оба двигателя асинхронного типа), сидящие неподвижно, соответственно на валах 13 и 14. Валы 13 и 14 установлены в корпусе 16 на подшипниках качения соответственно 21 и 22. Направление движения (вращения) магнитного поля в статорных обмотках 17 и 18 противоположное, в связи с чем валы 13 и 14 совершают синхронное противоположное вращение.

 

Рис. 15 Схема поперечного сечения конструкции оппозитного компрессора с совмещенными электродвигателями

а) положение блока поршней «вверху»

б) положение блока поршней «посередине»

 

Компрессор работает следующим образом.

При подаче переменного напряжения к статорным обмоткам 17 и 18 в них возникает вращающееся противоположно направленное магнитное поле, возбуждающее магнитные поля в соответствующих роторных обмотках 19 и 20. Взаимодействие магнитных полей вызывает появление крутящего момента, который направлен противоположно в обеих роторных обмотках, в связи с чем валы 13 и 14 начинают вращение в противоположных направлениях с одинаковой частотой и одинаковым крутящим моментом благодаря идентичности электромагнитных характеристик статорных 17 и 18 и роторных 19 и 20 обмоток. При этом кривошипы 11 и 12 совершают синхронное противоположное вращение в пазу 10 кулисы 9, придавая ей возвратно-поступательное движение вдоль совместной оси первого 1 и второго 2 цилиндров. Перемещающиеся вместе с кулисой 9 поршни 7 и 8 также совершают возвратно-поступательное движение, изменяя рабочий объем цилиндров 1 и 2. При этом, в связи с наличием всасывающих 3 и 4 и нагнетательных 5 и 6 клапанов рабочее тело (газ, смесь газов, например, воздух) всасывается в цилиндры, сжимается в них и подается потребителю.

Синхронное противоположно направленное и практически полностью соосное вращение валов 13 и 14, а также закрепленных на них кривошипов 11 и 12 обеспечивает отсутствие значительных боковых усилий на блоке поршней 7 и 8.

Выполнение одного общего корпуса для обоих приводных двигателей при наличии в валу одного двигателя (в данном примере – 13) сквозного отверстия, через которое проходит вал второго двигателя (в данном примере 14) позволяет идеально совместить оси обоих приводных валов 13 и 14, одновременно сократить массу и габариты компрессора при обеспечении минимальных боковых усилий, действующих на поршни.

Применение такой конструкции позволяет практически полностью исключить боковые силы действующие на поршень, что позволит  значительно снизить затраты газа на центрирование поршня и повысить производительность всего компрессора в целом.

Выводы: Проведен достаточно подробный анализ приводов поршневых компрессоров с точки зрения возможности их полного уравновешивания и устранения боковых усилий на поршне. При этом рассмотрены основные типы механизмов приводов поршневых компрессоров. Результаты анализа составили базу данных для последующего синтеза конструкции, для проведения которого предложена система поиска (рис. 13), основанная на последовательном исключении конструктивных признаков, принципиально не обладающих необходимыми свойствами. Последовательное выполнение процедур 1 ‑ 8 позволило выбрать конструктивные признаки, которые в дальнейшем использованы в синтезе окончательного варианта компрессора с газовым подвесом поршня.

 

Литература:

1. Болштянский А.П., Белый В.Д., Дорошевич С.Э. Компрессоры с газостатическим центрированием поршня. Омск: Изд-во ОмГТУ, 2002. – 406 с.

2. Compresseur miniaturrise// Usine nouv. – 1991/ Sappl: l’annee technol. 1991. – P. 45.

3. Шейнберг С. А., Жедь В. П., Шишеев М. Д. Опоры скольжения с газовой смазкой/ Под ред. С. А. Шейнберга - М.: Машиностроение, 1979. – 336 с.

4. Подшипники с газовой смазкой/ Под ред. Н. С. Грэссэма, Дж. У Пауэлла. - М.: Мир, 1966. - 423 с.

5. Пешти Ю. В. Газовая смазка. - М.: Изд-во МГТУ, 1993. - 381 с.

6. Пинегин С.В., Табачников Ю.Б., Сипенков И.Е. Статические и динамические характеристики газостатических опор. – М.: Наука, 1982. – 265 с.

7. Константинеску, В.Н. Газовая смазка/ В.Н. Константинеску. Пер. с польского. Под ред. М.В. Коровчинского.// М.: «Машиностроение», - 1968. – С. 709.

8. А.с. 1767216 СССР, МКИ F04 В 25/04. Поршневой компрессор с электромагнитным приводом/ А.П. Болштянский, В.С. Демиденко, Ю.З. Ковалев, В.Е. Щерба. - № 4661904/29; Заявлено 13.03.89; Опубл. 07.10.92. – Бюл. № 37.

9. А.с. 848909 СССР, МКИ F25 В 9/00. Холодильно-газовая машина/ А.П. Болштянский, Ю.Д. Терентьев, Ю.И. Гунько. Омский Политехнический институт. - № 2688129/23-06; Заявлено 04.01.80; Опубл. 23.07.81. – Бюл. № 27.

10. Curwen P.W., Hurst R. Development of an oil-free resonant piston compressor for helium liquefactin// Adv. Cryog. Eng: Proc. Cryog. Eng. Conf. [San Diego, Calif., 11-14 Aug., 1981]. – New York; London – 1982.– Vol. 27. P. 628-629.

11. Джонс Дж. К. Методы проектирования. - М.: Мир, 1986. - 326 с.

12. Половинкин А. И. Основы инженерного творчества. М: Машиностроение, - 1988. - 368 с.

13. Дворянкин А. М., Половинкин А. И., Соболев А. Н. Методы синтеза технических решений.- М.: Наука, 1977. - 104 с.

14. Справочник по функционально-стоимостному анализу/ А. П. Ковалев, Н.К. Моисеева, В.В. Сысун, М.Г. Карпунин, Б.И. Майданчик; Под ред. М. Г. Карпунина, Б. И. Майданчика. - М.: Финансы и статистика, 1988. - 431 с.