Получение геометрии винтовой части роторов винтовых компрессоров
Сейчас в компрессоростроении весьма актуальными являются вопросы выбора геометрии и оптимального профилирования рабочих органов винтовых компрессорных машин. Решение которых позволит сделать более экономичным процесс сжатия газа либо снизить себестоимость компрессорной установки. Проблема усугубляется требованиями высокой точности изготовления винтов и режущего инструмента для нарезания винтов.
Из-за сложности формы винтов существует необходимость создания универсальной методики исследования зацепления и оптимизации для винтов с любыми профилями зубьев. Методика должна базироваться на применении таких САПР-систем, как Pro/Engineer, Catia или Urographies.
К вопросу сравнения известных профилей
Продолжающиеся поиски новых типов профилей зубьев винтов, применение которых позволило бы обеспечить более высокие показатели винтовых машин, привели к появлению различных типов профилей. На данный момент хорошо исследованы симметричные циклоидальные профили, полученные с помощью кривых типа эпициклоид и гипоциклоид, окружные, эллиптические — целое семейство различного вида асимметричных профилей. Асимметричные профили обычно составляют из нескольких участков уже известных профилей, из отдельных дуговых сегментов, кривых, построенных по эвольвенте или по расчетным формулам. Многие вопросы по совершенствованию профилей винтов решаются путем нахождения оптимального варианта среди целого ряда профилей одного вида или комбинированием их из различных типов.
Если проанализировать графики зависимостей основных геометрических характеристик винтовой части роторов с различными профилями и при различных отношениях ширины зуба к его высоте, окажется, что в большинстве случаев выгода от пользования какого-то одного профиля по сравнению с другим может оказаться незначительной, сложилось мнение о том, что возможности симметричного профиля для улучшения КПД компрессора ограничены и для этих целей лучше применять асимметричный, в дальнейшем совершенствуя его форму, изменяя геометрическую конфигурацию щелей, длину линии контакта зубьев, площадь треугольной щели и защемленный объем.
Выбор оптимального профиля производится из набора профилей путем сравнения КПД, получаемых после термодинамического расчета компрессора. Компрессор часто работает в довольно широком диапазоне режимов, и поэтому оптимальный профиль, выбранный таким способом, может оказаться уже не самым оптимальным. Так, циклоидальные профили точечного зацепления обеспечивают полную осевую герметичность, но имеют недостатки в виде защемленного объема и величиной длины линии контакта по сравнению с цевочным профилем, который не имеет такой герметичности. Но в то же время именно из-за наличия осевой негерметичности цевочный профиль может обеспечить более высокие значения КПД компрессорной установки в случае, если компрессор может работать в относительно широком диапазоне изменения степени сжатия.
Видео:Работа винтового компрессора, его принцип действия и устройство.Скачать
К профилям рабочих органов винтового компрессора предъявляются различные требования с точки зрения теоретического зацепления, технологии изготовления, весогабаритных показателей, экономичности, обеспечения герметичности. Наибольшие затруднения вызывают обеспечение герметичности и соблюдение минимально необходимых зазоров для учета возможного теплового расширения и деформаций. Поиски новых профилей винтов идут в основном по направлению создания геометрии точечного зацепления в виде зацепления кривых, определяющих профиль. Малоисследованными оказываются профили, которые можно было бы построить для качественно иных типов зацепления, например типа «поверхность-поверхность». Винтовые поверхности с таким зацеплением длинные, сравнительно небольшие по высоте, с большим путем дросселирования щели, что существенно увеличивает герметичность. Аналитический расчет таких винтов окажется довольно сложным, и их получение проще осуществить и проанализировать с помощью CAD/CAM-систем.
Ввиду всего вышесказанного существует необходимость создания такой универсальной методики исследования зацепления, которая должна одинаково хорошо работать с зубьями любых профилей, способствовала бы выбору наиболее рациональных геометрических форм. Значительный прогресс здесь мог бы сделать профиль, позволяющий осуществить нарезку винтов на обычном зуборезном станке методом обкатывания. А что касается технологичности, в этом смысле все профили практически равноценны, так как технология нарезки винтов одинакова. Конечно, последнее утверждение справедливо, если не сравнивать между собой открытый и закрытый тип профиля.
Возможности получения профилей методами обкатки
Следует отметить, что в теории профилирования винтов вначале рассчитывается беззазорное зацепление, определяются номинальные теоретические профили и уже потом добавляются необходимые расчетные зазоры. Теория зацепления винтов компрессора в принципе ничем не отличается от теории зацепления зубчатых колес по законам образования профилей или их кинематике. Поэтому пространственную задачу профилирования проще свести к двухмерной задаче и найти второй сопряженный профиль по выбранному профилю одного из колес, определить их линию зацепления. Конечно, это относится к случаю, когда оси винтов параллельны, винты имеют постоянный осевой шаг и постоянное поперечное сечение. Линию пространственного контакта винтов можно определить впоследствии в результате трехмерного компьютерного моделирования в среде любой из CAD-систем.
Замена пространственной задачи двухмерной упрощается тем, что винтовая поверхность представляется как результат движения плоской кривой, лежащей на плоскости, перпендикулярной оси винта, по двум траекториям, которые описывают вращательное движение вокруг оси одновременно с поступательным движением вдоль этой же оси. В зависимости от типа траектории возможны варианты получения цилиндрических и конических винтовых поверхностей, а также винтов с постоянным и переменным шагом. Сопряженные профили зубьев роторов винтового компрессора должны иметь непрерывную линию контакта и обеспечивать выполнение основного закона зацепления, определяющего прохождение нормалей из всех точек соприкосновения через полюс зацепления. Данные условия могут быть соблюдены при получении точек сопряженных профилей методами обкатки с использованием CAD-систем.
Читайте также: Компрессор fubag 200 литров 380в
Высокая точность изготовления профильных поверхностей винтов и соблюдение между ними малых зазоров требуют применения аналитических методов расчета геометрии. Аналитические методы решения для винтов с постоянным шагом обычно сводятся к нахождению формы огибающих кривых в торцовом сечении и пересчете координат точек между разными системами координат. Математическая модель такого вида зацепления представляется в виде связанных между собой двух подвижных и двух неподвижных координатных систем. В то же время аналитические методы решения задачи в некоторых случаях оказываются слишком громоздкими или для их использования требуется больше допущений. Особенно это касается тех случаев, когда:
— описание одного из профилей аналитически неизвестно и он представлен в виде набора точек с произвольным шагом или набора сплайновых кривых, выполненных в графических системах. Для анализа таких данных обычно требуется время, кроме того, точно подобрать аналитическое уравнение профиля не всегда удается, а просто пересчет граничных точек без анализа углов наклона их касательных и кривизны профиля не дает нужного результата и точности в нахождении сопряженного профиля;
Видео:Устройство и принцип работы винтового компрессораСкачать
— возникает необходимость исследования изменения геометрии сопряженных профилей после их корригирования или при наложении не скольких технологических допущений и отклонений от формы. Зачастую эти изменения могут оказаться столь существенными, что требуют внесения изменений в алгоритм аналитического описания профилей, что вызывает определенные за траты времени;
— необходимо найти сопряженный профиль для винтов с изменяемым шагом, переменной профиля или когда эти винты не расположены на параллельных валах. В этом случае значительно усложнятся алгоритмы расчета;
— имеется потребность в быстрой проверке разрабатываемой математической модели зацепления винтов при проектировании новых изделий.
Результаты проведенных исследований дали возможность предположить, что в настоящий момент применение графических методов моделирования процесса обкатки профиля в сред CAD/CAM-систем с применением булевых операций в некоторых случаях позволит решить задачу быстрее и проще при соблюдении необходимой точности изготовления. Под необходимой точностью в данном случае подразумевается точность не превышающая 0,001мм, что при существующем уровне технологии вполне достаточно дл обработки поверхностей на станках с числовых программным управлением.
Метод основывается на графическом моделировании процесса обкатки одного профиля винт контуром заготовки и использовании булевых операций вычитания материала из этой заготовок во время ее движения, что приводит к получении другого сопряженного профиля винта. Такой подход оказывается независимым от алгоритма формул описания профиля винтовой поверхности и может применяться для любого из профилей: симметричного и асимметричного циклоидального, окружного, эллиптического или любого произвольного. Метод можно считать универсальным, так как он может использоваться пpaктически везде, где необходимо определить геометрию одного сопряженного профиля по другом уже известному.
Условием существования сопряженного профиля является то, что для всех точек исходного профиля должны существовать сопряженные точки на профиле, полученном после обкатки. Контакт таких профилей происходит в тот момент, когда они имеют общую нормаль, которая проходит через полюс зацепления. Нормали ко всем точкам профиля должны пересекать начальную окружность, а на участках профиля, выходящих за ее пределы, не должны пересекаться внутри соприкасаемого с ним профиля. Проведенные исследования показали, что методом обкатки можно получить второй сопряженый профиль, но этот профиль не будет идентичен исходному профилю, если тот, в свою очередь, не был предварительно специальным образом рассчитан для этой пели. В то же время если продолжать обкатку второго профиля и третий профиль будет идентичен первому производящему контуру, то это, скорее всего, будет означать, что линия зацепления не прерывалась. На этом может быть построена проверка геометрии ВНОВЬ создаваемых профилей.
Читайте также: Момент затяжки болтов головки компрессора вольво
На рисунке 1 представлен пример последовательной обкатки профиля, созданного из шести касательно расположенных друг к другу дуговых сегментов равного радиуса, центры которых находятся на окружности в два раза большего радиуса. Следует сказать, что этот профиль не является общеизвестным профилем Рутса, который раскатывается таким образом, чтобы получить два полностью идентичных профиля.
Видео:Принцип работы винтового компрессораСкачать
Данный производящий контур находится в левой части рисунка. В каждой своей точке он имеет постоянный радиус кривизны поверхности, а после его обкатки на втором сопряженном ему контуре появляются едва заметные изломы. Тем не менее если третий контур будет идентичен первому, то линия зацепления не прерывается между первым и вторым контурами и все рядом стоящие профили будут сопряжены (в отличие от представленного на рисунке 2 варианта обкатки профиля из четырех окружностей), где первый и второй контуры имеют разрыв в линии зацепления.
Эффективность винтов с переменными профилями
Известно, что при разработке винтовых компрессоров для упрощения теории профилирования винтов из-за сложности их аналитических расчетов и технологии изготовления делается три основных допущения: постоянство осевого шага, неизменность геометрии винтов в поперечном сечении и параллельность осей винтов. Известно, что после входа зубьев в зацепление объем рабочей полости в таких компрессорах уменьшается равномерно, так как частота вращения роторов при перемещении линии наибольшего сближения поверхностей сопряженных зубьев по направлению к нагнетательному окну постоянна.
Если представить равномерным теоретическое изменение объема рабочих полостей за одинаковые по времени промежутки процесса сжатия на индикаторных диаграммах, то окажется, что процесс повышения давления в рабочей полости и передачи газу энергии в виде удельной работы компрессора на этих участках носит крайне неравномерный характер. Чтобы убедиться в этом, достаточно рассмотреть форму существующий графиков заполнения впадин рабочей полости винтовых компрессорах и сопоставить их по времени с соответствующими индикаторным диаграммами реального или идеального компрессора.
Важно отметить тот факт, что в компрессорах объемного типа действия практически не учитывается характер термодинамических процессе происходящих в отдельных рабочих полостях, хотя высказывались мнения о полезности дополнительного управления процессом сжатия посредством микропроцессорной техники (применительно к поршневым компрессорам).
В применении к винтовому компрессору термодинамический расчет обычно производится после расчетов геометрии винтов, то есть после того как графоаналитическим или численным методом определены изменения объема парных полостей по углу поворота роторов. Известно, что для винтового компрессора законы классической термодинамики и термодинамики тела перемены массы можно применить только условно в нестационарности процессов, происходящих внутри рабочей полости. По мере усовершенствования самих винтовых компрессоров этот размер постепенно сокращается.
Поэтому для процессов сжатия, происходящих в компрессоре, с учетом всех возможных поправок еще на стадии предварительного расчета слудует попытаться определить наиболее экономную с точки зрения энергопотребления зависимость изменения объема рабочих полостей времени цикла сжатия, чтобы максимально снизить скачки перепада давления, температуры передаваемой газу механической энергии. Работы по профилированию рабочих органов компрессора предлагается осуществлять таким образом, чтобы максимально обеспечить постоянство внутри каждой рабочей полости компрессора.
Вследствие этого уменьшаются пульсации давления в полостях сжатия и диссипация части энергии, уменьшаются инерционные силы и связанные с ними сопротивления, понижается уровень вибрации и шума. Кроме того, происходит перераспределение давления в ступени, а также величин газовых сил и моментов, которые действуют на систему «ротор-подшипники» и увеличиваются совместно с возрастанием перепада давлений. В итоге в некоторых случаях можно избежать нежелательного перехода на многоступенчатое сжатие из-за недостаточной несущей способности подшипников, жесткости роторов и повысить рекомендованные степени повышения давления в ступени.
Необходимо определять первоначальную геометрию винтовой части роторов и впоследствии усовершенствовать ее на этапе оптимизации конструкции. Поэтому, вероятнее всего, оптимальный профиль следует искать среди ряда «технологичных» профилей: с изменяемой геометрией в поперечном сечении, переменным шаром, конической формы или расположенных на валах с пересекающимися осями. В любом случае термодинамический расчет должен следовать перед проектированием геометрии винтовых поверхностей.
Читайте также: Поршневые кольца для компрессоров fubag
На рисунке 3 представлена индикаторная диаграмм идеального компрессора с распределением на ней удельных работ за одинаковые промежутки времени.
На рисунке 4 (слева) показана сборная конструкция ротора винтового компрессора, который с целью обеспечения постоянства удельной работы компрессора в процессе сжатия может быть выполнен из трех ступеней, каждая из которых имеет разный осевой шаг, все ступени собраны на одном валу таким образом, что один винт является продолжением другого.
Видео:Обзор винтового компрессора. Давление в системе.Скачать
; Унифицированный ряд таких роторов компрессоров в зависимости от степени повышения давления, рабочей среды и режима их работы может быть спроектирован на основе расчета и замены соответствующих ступеней. В настоящее время в области вакуумной техники существуют аналоги таких конструкций сборных роторов, они позволяют увеличить степень повышения давления в компрессоре, но, вполне вероятно, могут оказаться эффективными и для компрессоров общего назначения.
На рисунке 5 (справа) показаны два подобных ротора в зацеплении, каждый из них имеет три участка постоянного шага, которые были заданы посредством графика.
Концепция процесса проектирования
Этап проектирования геометрии винтовой части роторов включает расчет, трехмерное моделирование, оптимизацию конструкции, подготовку рабочих чертежей, создание технологии изготовления и программ для станков с ЧПУ. Эффективное сочетание всех этих функций значительно уменьшает время выхода изделий на рынок. Построение методики должно начинаться в первом приближении с проработки укрупненных алгоритмов расчета рабочих процессов, происходящих в компрессоре, и организации обратной связи с геометрическими и конструкционными параметрами.
С целью уменьшения энергетических затрат на сжатие необходим предварительный термодинамический расчет для определения и выбора закономерностей изменения объема парных полостей по углу поворота роторов, чтобы максимально сгладить скачки перепада давлений, температур и передаваемой газу механической энергии. В качестве исходных данных для расчета ступени винтового компрессора необходимо знать действительную производительность, отнесенную к условиям всасывания, давление нагнетания или степень сжатия, параметры газа в камере всасывания, влажность и род газа для определения его свойств.
Для некоторых профилей есть проверенные временем специальные методики расчета винтов, разработаны унифицированные ряды геометрически подобных профилей. В итоге это позволяет существенно ускорить проектирование винтовых компрессоров, так как некоторые расчетные параметры, такие как коэффициенты полезного действия, коэффициенты подачи, мощность привода вновь разрабатываемых компрессорных машин, зачастую не определяются, а задаются по результатам испытаний аналогичных машин. В этом шаге необходимо определить теоретическую объемную производительность, основные размеры винтов, полезный объем парной полости, расчет заполняемых объемов, найти мощность, потребляемую компрессором, площади окон всасывания и нагнетания.
Далее следует проработка геометрии винтов части и всего ротора в трехмерном твердотельном варианте, а также корпуса, торцевых крышек, уплотнений и других деталей компрессора, которые формируют рабочие полости или оказывают косвенное влияние на процессы, проходящие в них. После этого следует уточнение конструкционных параметров методом последовательных приближений в зависимости от полученных расходных характеристик изделия. Здесь могут использоваться возможности конечно-элементноого анализа для пересчета параметров рабочих процессов до тех пор, пока не появится оптимизированная по конструктивным признакам трехмерная модель изделия.
После экспертных оценок технологов и пользования технологических модулей, определяющих возможность изготовления, эта модель дорабатывается. Позже следуют уточнение расчетных параметров с учетом предыдущих доработок и получение окончательной оптимизированной трехмерной модели, создание чертежной документации, программ для станков ЧПУ и проектирование технологической оснастки.
Видео:Обработка винта компрессора на станках METROM P14XXСкачать
Мы рассмотрели некоторые возможности применения систем САПР для проектирования геометрии винтовой части роторов в винтовых компрессорах. Приведенные результаты исследования метода обкатки дают основание предположить, что метод можно будет использовать применительно к винтам с любыми типами профилей зу6ьев для нахождения сопряженных профилей винтов, проверки их геометрии, построения и проверки профилей инструмента.
Назрела необходимость внесения изменения в существующий порядок проектирования винтового компрессора, и возникло сомнение в сообразности применения винтов с переменными по длине профилями и шагом. Предлагается метод получения винтов путем проектирования среде CAD/CAM-систем.
- Свежие записи
- Чем отличается двухтактный мотор от четырехтактного
- Сколько масла заливать в редуктор мотоблока
- Какие моторы бывают у стиральных машин
- Какие валы отсутствуют в двухвальной кпп
- Как снять стопорную шайбу с вала
🎥 Видео
Винтовой компрессор Bitzer OSA95Скачать
Винтовой компрессор GEA Grasso: усовершенствованный, энергоэффективный, надежный.Скачать
Винтовая пара (винтовой блок) компрессора: что это и принцип работы. Компрессор ABAC SPINN 15-10.Скачать
Особенности винтовых компрессоров (Nordberg)Скачать
Пять ошибок в ремонтах винтового компрессораСкачать
Винтовой Компрессор 11 кВт. Сопло 3.5мм ТЕСТСкачать
Основные параметры винтового компрессора НОВОТЕКСкачать
Какой компрессор лучше? Достоинства, недостатки, сравнение компрессоров.Скачать
Винтовой электрический компрессор 7,5 кВт CrossAir для автосервиса, небольшого производстваСкачать
Винтовой компрессор TRIUMPH | КАК ПРОИЗВОДЯТ ВИНТОВЫЕ КОМПРЕССОРЫ | ОБЗОР ПРОИЗВОДСТВА ОТ А ДО Я!Скачать
Выбираем винтовой компрессор для предприятия. Ресивер и осушитель к компрессору.Скачать
Винтовой Компрессор FINI PLUS. Обзор Винтового Компрессора.Скачать
