Поршневая резонансная машина

Изобретение относится к поршневым машинам. Поршневая резонансная машина с кривошипно-шатунным механизмом, приводимым во вращение первым исполнительно-регулирующим устройством, и подвижно-шарнирной опорой, приводимой в движение вторым исполнительно-регулирующим устройством, дополнительно содержит датчик угловой скорости вращения вала, датчик линейного перемещения подвижной опоры, от положения которой зависит объем мертвого пространства, датчик температуры окружающей среды, датчик барометрического давления окружающей среды, микропроцессорную систему управления. Микропроцессорная система управления в свою очередь содержит блок с математической моделью работы поршневой резонансной машины, первый блок сравнения, второй блок сравнения. Выходные сигналы датчика угловой скорости вращения вала, датчика температуры окружающей среды и датчика барометрического давления окружающей среды подают на вход блока с математической моделью работы поршневой резонансной машины. На вход первого блока сравнения подают выходной сигнал датчика угловой скорости вращения вала и рассчитанное значение угловой скорости вращения вала, соответствующее резонансному режиму, с выхода блока с математической моделью работы поршневой резонансной машины. С выхода первого блока сравнения подают сигнал на вход первого и исполнительно-регулирующего устройства. На входы второго блока сравнения подают выходной сигнал датчика линейного перемещения подвижной опоры и рассчитанное значение объема мертвого пространства, соответствующее резонансному режиму, с выхода блока с математической моделью работы поршневой резонансной машины. С выхода второго блока сравнения подают сигнал на вход второго исполнительно-регулирующего устройства. Положение подвижно-шарнирной опоры поршневой машины автоматически подстраивают до выполнения условия минимума коэффициента неравномерности угловой скорости вращения вала поршневой машины, причем выполнение этого условия означает, что поршневая машина настроена на резонансный режим. Изобретение обеспечивает автоматическое поддержание в поршневой машине резонансного режима. 9 ил.

 

Предлагаемое изобретение относится к области совершенствования поршневых машин, таких, как поршневые компрессоры, карбюраторные двигатели, дизели и др.

В технике широко используется явление резонанса. Как известно, при резонансе в машине, где используется это явление, любая заданная амплитуда колебаний достигается при минимальном силовом воздействии со стороны возбудителя колебаний (привода). Количество энергии, полезно расходуемой на выполнение технологического процесса, определяет эффективность машины, а соотношение этой энергии и энергии, рассеиваемой в колебательной системе и приводе, коэффициент полезного действия (КПД) машины. Таким образом, КПД машины в резонансном режиме выше, чем в нерезонансном.

Известны вибрационные машины с силовым и кинематическим возбуждением, содержащие механизмы, преобразующие непрерывное вращение валопровода в резонансные колебания колебательной системы, связанной некоторым образом с валопроводом (1. Динамика машин и управление машинами. / В.К.Асташев, В.И.Бабицкий, И.И.Вульфсон и др.; Под ред. Г.В.Крейнина. - М.: Машиностроение, 1988. - с.с.177, 182). Это наиболее близкие аналоги, в которых используется явление резонанса, известные авторам.

Многие традиционно использующиеся поршневые машины с шатунно-кривошипными механизмами (2. Яманин А.И., Жаров А.В. Динамика поршневых двигателей. - М.: Машиностроение, 2003. - 464 с. 3. Козловский М.З. Динамика машин. - Л.: Машиностроение, 1989. - 263 с. 4. Пластинин П.И. Поршневые компрессоры. Том 1. Теория и расчет. - М.: Колос, 2000. - 456 с.) при определенных условиях также могут быть настроены на режим резонанса.

Технический результат заключается в обеспечении автоматического поддержания в поршневой машине резонансного режима. Этому режиму будет соответствовать минимум коэффициента неравномерности угловой скорости вращения вала поршневой машины, что определяет минимум динамической ошибки по угловой скорости.

Технический результат достигается тем, что поршневая резонансная машина с кривошипно-шатунным механизмом, приводимым во вращение первым исполнительно-регулирующим устройством, и подвижно-шарнирной опорой, приводимой в движение вторым исполнительно-регулирующим устройством, дополнительно содержит датчик угловой скорости вращения вала, датчик линейного перемещения подвижной опоры, от положения которой зависит объем мертвого пространства, датчик температуры окружающей среды, датчик барометрического давления окружающей среды, микропроцессорную систему управления, которая в свою очередь содержит блок с математической моделью работы поршневой резонансной машины, первый блок сравнения, второй блок сравнения; причем выходные сигналы датчика угловой скорости вращения вала, датчика температуры окружающей среды и датчика барометрического давления окружающей среды подают на вход блока с математической моделью работы поршневой резонансной машины; на вход первого блока сравнения подают выходной сигнал датчика угловой скорости вращения вала и рассчитанное значение угловой скорости вращения вала, соответствующее резонансному режиму, с выхода блока с математической моделью работы поршневой резонансной машины; с выхода первого блока сравнения подают сигнал на входы исполнительно-регулирующего устройства; на входы второго блока сравнения подают выходной сигнал датчика линейного перемещения подвижной опоры и рассчитанное значение объема мертвого пространства, соответствующее резонансному режиму, с выхода блока с математической моделью работы поршневой резонансной машины; с выхода второго блока сравнения подают сигнал на вход второго исполнительно-регулирующего устройства; положение подвижно-шарнирной опоры поршневой машины автоматически подстраивают до выполнения условия минимума коэффициента неравномерности угловой скорости вращения вала поршневой машины, причем выполнение этого условия означает, что поршневая машина настроена на резонансный режим.

Изобретение поясняется чертежами, где:

фиг.1 - схема колебательной системы с грузом и двумя механическими пружинами;

фиг.2 - зависимость амплитуды возмущающей силы в функции угловой частоты при постоянном значении амплитуды колебаний груза;

фиг.3 - кинематическая схема поршневого двигателя двухстороннего действия;

фиг.4 - индикаторная диаграмма поршневого двигателя двухстороннего действия;

фиг.5 - коэффициент неравномерности угловой скорости вращения коленчатого вала в функции угловой скорости вращения коленчатого вала;

фиг.6 - кинематическая схема поршневой машины с переменным сжатием газовой пружины;

фиг.7 - блок-схема резонансной поршневой машины;

фиг.8 - блок-схема микропроцессорной системы управления;

фиг.9 - зависимость коэффициента неравномерности угловой скорости вращения коленчатого вала поршневой машины в функции положения подвижно-шарнирной опоры.

На схеме (фиг.1) груз массой m, находящийся между двумя пружинами одинаковой жесткости с, совершает вынужденные колебания с амплитудой А под действием гармонической силы

F=F₀sinωτ.

Здесь:

F₀ - амплитуда силы;

ω - частота возмущения;

τ - время.

Дифференциальное уравнение движения груза

где μ - коэффициент вязкого сопротивления,

х=х(τ) - перемещение тела.

На фиг.2 приведена зависимость амплитуды возмущающей силы в функции угловой частоты при постоянном значении амплитуды колебаний груза. Режиму резонанса (ω=ω_рез) соответствует минимальное значение амплитуды возмущения. Рассмотрим теперь поршневой двигатель двухстороннего действия, кинематическая схема которого приведена на фиг.3, и индикаторную диаграмму этого двигателя, приведенную на фиг.4. Выделим справа от точки Р_c(ϕ≥0, ϕ - текущая координата угла поворота кривошипа) часть индикаторной диаграммы, симметричную левой. Р_c - максимальное значение давления сжатия, P_z - максимальное значение давления сгорания. Вместе с левой частью выделенная правая в дальнейшем будет называться пружинной составляющей индикаторной диаграммы (область S). Оставшуюся часть будем называть производительной (область S₁). Между схемами на фиг.1 и 3 можно увидеть аналогию. Массы, совершающие поступательное движение (поршни 2, обводная рамка 5, отнесенные к поступательному движению части масс шатунов 4), ведут себя аналогично грузу, изображенному на фиг.1. Амплитуда колебаний здесь равна радиусу кривошипа 3. Также имеются пружины (пружинные составляющие индикаторных диаграмм). Имеется и возмущающее воздействие (сумма производительных составляющих индикаторных диаграмм и сил сопротивления вертикальные составляющие взаимодействия поршня 2 с шатунами 4 и цилиндрами 1). Данная система относится к классу автоколебательных и при некоторых соотношениях массы частей, совершающих поступательное движение, параметров индикаторной диаграммы и средней угловой скорости вращения коленчатого вала ω_рез (резонансной угловой скорости) можно добиться режима авторезонанса. В этом случае наблюдается увеличение КПД, существенное снижение усилий в сочленениях шатунно-кривошипного механизма, а также снижение коэффициента неравномерности угловой скорости вращения вала (фиг.5). Важно отметить, что частота свободных колебаний рассмотренной системы зависит от массы частей, совершающих поступательное движение, а также от характеристики упругости рабочего тела в цилиндре. В эксплуатации весьма сложно изменять значение массы, но воздействовать на жесткость газа - пружины возможно.

Величина ω_рез, в основном, зависит от температуры и количества газа в начале движения поршня к верхней мертвой точке, степени вжатия и инерционных характеристик автоколебательной системы. Для эффективного резонансного режима необходимо влиять на угловую скорость со или параметры рабочего процесса, от которых зависит ω_рез, таким образом, чтобы поддерживать равенство ω=ω_рез. Добиться этого можно, например, изменяя в двигателях степень сжатия, в компрессорах - объем мертвого пространства. Значение резонансной угловой скорости ω_рез для поршневой машины может быть получено путем численного моделирования.

В поршневой машине с кривошипно-шатунным механизмом, содержащей подвижно-шарнирную опору 7 (фиг.6), передвижной кулисный механизм 6, кривошип 3 которой колеблется с амплитудой ±ϕ, а шатун 4 совершает плоскопараллельное движение. При изменении местоположения шарнирно-подвижной опоры 7 можно плавно регулировать степень сжатия нагнетаемого газа.

Предлагаемая поршневая резонансная машина 8 (рассмотрим на примере поршневого компрессора (см. фиг.7) с кривошипно-шатунным механизмом, приводимым во вращение первым исполнительно-регулирующим устройством 9, и подвижно-шарнирной опорой, приводимой в движение вторым исполнительно-регулирующим устройством 10, отличается тем, что дополнительно содержит датчик 11 угловой скорости вращения вала, датчик 12 линейного перемещения подвижной опоры, от положения которой зависит объем первого пространства, датчик 13 температуры окружающей среды, датчик 14 барометрического давления окружающей среды, микропроцессорную систему управления 15. Микропроцессорная система управления в свою очередь содержит блок 16 (см. фиг.8) с математической моделью работы поршневой резонансной машины, первый блок сравнения 17, второй блок сравнения 18.

Поршневая резонансная машина работает следующим образом. Вал поршневой резонансной машины 8 приводится во вращение от первого исполнительно-регулирующего устройства 9 (на фиг.7 ω_ПМ - угловая скорость вращения вала поршневой резонансной машины, ω_им1 - выходной сигнал первого исполнительно-регулирующего устройства). В блоке 16, на вход которого подаются выходные сигналы датчиков 11, 13 и 14, определяют путем численного моделирования значения угловой скорости вращения вала ω_рез и объема мертвого пространства V_рез, при которых наступает резонанс в данной колебательной системе при данных измеренных значениях температуры t_и и барометрического давления р_и окружающей среды (на фиг.8 ω_и - измеренное значение угловой скорости вращения вала), а также при которых будут удовлетворены нужды потребителя работы поршневой машины. Выставляют угловую скорость вращения вала ω_рез и положение h_рез подвижно-шарнирной опоры, соответствующее объему мертвого пространства V_рез (грубая регулировка). При этом непрерывно определяют положение шарнирно-подвижной опоры, измеряют угловую скорость вращения вала поршневой машины и рассчитывают коэффициент неравномерности вращения вала поршневой машины в соответствии с выражением

где: ω_max - максимальное значение угловой скорости вращения вала;

ω_min - минимальное значение угловой скорости вращения вала;

ω_ср. - среднее значение угловой скорости вращения вала.

В первом блоке сравнения 17 проводят сравнение рассчитанного ω_рез и измеренного ω_и значений угловой скорости вращения вала, во втором блоке сравнения 18 - сравнение рассчитанного V_рез и объема мертвого пространства, соответствующего данному положению подвижно-шарнирной опоры. Сигналы рассогласования Δω и Δh с выходов первого и второго блоков сравнения подают соответственно на первые входы первого и второго исполнительно-регулирующих устройств, плавно изменяющих угловую скорость вращения вала и положение подвижно-шарнирной опоры до тех пор, пока не наступит резонансный режим. Положение подвижно-шарнирной опоры поршневой машины автоматически подстраивают до выполнения условия минимума коэффициента неравномерности вращения вала поршневой машины δ (тонкая регулировка, см. фиг.9). Причем на второй вход первого блока сравнения подают измеренное значение датчика 11, а на второй вход второго блока сравнения - измеренное значение датчика 12. Выполнение условия минимума коэффициента неравномерности угловой скорости вращения вала поршневой машины δ означает, что поршневая машина настроена на резонансный режим.

Поршневая резонансная машина с кривошипно-шатунным механизмом, приводимым во вращение первым исполнительно-регулирующим устройством, и подвижно-шарнирной опорой, приводимой в движение вторым исполнительно-регулирующим устройством, отличающаяся тем, что дополнительно содержит датчик угловой скорости вращения вала, датчик линейного перемещения подвижной опоры, от положения которой зависит объем мертвого пространства, датчик температуры окружающей среды, датчик барометрического давления окружающей среды, микропроцессорную систему управления, которая, в свою очередь, содержит блок с математической моделью работы поршневой резонансной машины, первый блок сравнения, второй блок сравнения; причем выходные сигналы датчика угловой скорости вращения вала, датчика температуры окружающей среды и датчика барометрического давления окружающей среды подают на вход блока с математической моделью работы поршневой резонансной машины; на вход первого блока сравнения подают выходной сигнал датчика угловой скорости вращения вала и рассчитанное значение угловой скорости вращения вала, соответствующее резонансному режиму, с выхода блока с математической моделью работы поршневой резонансной машины; с выхода первого блока сравнения подают сигнал на вход первого исполнительно-регулирующего устройства; на входы блока сравнения подают выходной сигнал датчика линейного перемещения подвижной опоры и рассчитанное значение объема мертвого пространства, соответствующее резонансному режиму, с выхода блока с математической моделью работы поршневой резонансной машины; с выхода второго блока сравнения подают сигнал на вход второго исполнительно-регулирующего устройства; положение подвижно-шарнирной опоры поршневой машины автоматически подстраивают до выполнения условия минимума коэффициента неравномерности угловой скорости вращения вала поршневой машины, причем выполнение этого условия означает, что поршневая машина настроена на резонансный режим.