Безсальникові компресори.

Герметичні компресори.

1.6. Основні вузли та деталі компресорів

Рама, картер, блок-картер. Основні вимоги, яким повинні задовольняти, конструкції рами, картера і блок-картера – міцність і жорсткість. Остання визначає точність і збереження взаємного розташування осей механізму руху компресора під час експлуатації.

Рами, картери і блок-картери сприймають сили, що виникають при роботі компресора, і передають на фундамент реакцію від крутного моменту, неврівноважені сили і моменти сил інерції мас, що рухаються, а також ваги компресора.

Рами крейцкопфних компресорів знаходяться під атмосферним тиском. Отвори, люки й отвори в рамах ущільнені легкими кришками і кожухами. У горизонтальних опозитних компресорах застосовують переважно багатопідшипникові рами коробчатого перетину, що створюють полегшену і жорстку конструкцію.

Картери і блок-картери безкрейцкопфних компресорів знаходяться під тиском усмоктуваних парів холодильного агента. Цей тиск при роботі компресора не перевищує 0,6 МПа для більшості холодильних агентів. Проте під час тривалих стоянок машини тиск у картері може підвищитися до величини, обумовленим температурою навколишнього повітря.

Рами, картери і блок-картери звичайно виготовляють відлитими з чавуну (СЧ-18-36), іноді – зварними зі сталевого листа. У малих компресорах транспортних машин для зменшення маси застосовують алюмінієві сплави. Литі деталі в більшості випадків для збереження правильного положення осей і площин піддають старінню (штучному або природному), а зварні – випалюванню. Ці ж основні вимоги – точне взаємне положення осей і площин – пред'являють і до механічного опрацювання. Крім того, ущільнювальні площини (поверхні) картерів і блок-картерів повинні забезпечувати можливість складання з контрдеталями, що забезпечує герметичність.

Припустимі відхилення на несоосність, неперпендикулярність, еліптичність, конусність посадкових розмірів рам, картерів і інших деталей компресорів, а також мікрогеометрія основних посадкових поверхонь приведені в спеціальній літературі.

Циліндри.У крейцкопфних компресорах циліндри виконують у вигляді самостійних виливків, у яких розміщають нагнітальні й усмоктувальні клапани. У багатоциліндрових компресорах для зменшення відстані між циліндрами їх виконують блоками в однім виливку. Кількість циліндрів в одному блоці, як правило, не перевищує трьох.

Циліндри блок-картерних середніх і великих компресорів звичайно мають змінні гільзи на ковзної посадці, що значно зменшує вартість ремонту машин. У прямотечійних компресорах, особливо двоступеневих, гільзи ущільнюють по верхньому і нижньому зовнішніх поясах гумовими кільцями. Верхнє кільце перешкоджає перетіканню пари з порожнини нагнітання, а нижнє – проникненню мастильного туману з картера в порожнину всмоктування.

У середніх і великих одноступеневих прямотечійних компресорах, у яких використовується R22 або R717, є водяні охолодні сорочки циліндрів, що охоплюють порожнини нагнітання (у блок-картерних конструкціях водяні сорочки виконані безпосередньо у виливку блоку). У непрямотечійних компресорах не вдається створити ефективні сорочки для циліндрів, тому їхнє охолодження (при p>4 для аміаку і R22) забезпечується водяними сорочками в проставках, що утворять порожнину.

Стінки циліндрів сприймають сили від тиску парів холодильного агента, від пружності поршневих кілець, а також сили з боку поршнів (горизонтальні складової ваги й інерційної сили).

Циліндри і гільзи циліндрів виготовляють із чавунів (Сч-21-40), часто легованих присадками для підвищення зносостійкості і щільності (для окремих циліндрів). До геометрії і чистоти поверхонь, циліндрів (гільз), особливо дзеркалу тертя, пред'являють жорсткі вимоги.

У безкрейцкопфних компресорах із чавунними поршнями і поршневими кільцями зазор між циліндром і поршнем складає до 0,001 діаметра циліндра. При відсутності поршневих кілець і селективного добору пар поршень – циліндр (при діаметрах до 50 мм), зазор у парі повинен складати 0,0002 діаметра. Якщо поршні алюмінієві, зазор виконують збільшеним відповідно до очікуваних різниць температур нагрівання під час роботи, з огляду на коефіцієнти розширення матеріалів поршня і циліндра.

Колінчаті вали.Конструкції колінчатих валів різноманітні. Вали виконують цільнокованими (дрібні серії), штампованими (великі серії) або литими; із відкритими (кривошипні вали) і закритими кривошипами, а також з ексцентриками.

Противаги, призначення яких компенсувати сили інерції та моменти сил інерції, в сучасних конструкціях компресорів виконують заодно з валом. Якщо за умовами виготовлення або складання противаги окремні, їхня посадка і кріплення на щоках валу повинна бути виконані дуже старанно: посадка за 2-м класом, болти відповідно до вимог, запропонованими до шатунних болтів (варіант ввертних болтів). Вали компресорів із примусовою системою змащення шатунних підшипників повинні мати масляні канали з виходами до місць змащення. Дуже важливо конструктивно передбачити можливість ретельного очищення цих каналів і округлення вихідних крайок. Литі чавунні вали створюють таку можливість у найкращій мірі, тому що весь внутрішній канал може бути утворений сталевою вигнутою трубкою, заформованою усередину виливки. Важливо також, щоб канали були віддалені від зон концентрації напруги (галтелі, загартований поверхневий прошарок, шпонкові канавки і т.д.).

Від колінчатого вала здійснюється привід масляного насосу. Якщо вісь насоса збігається з віссю валу, носок валу має відповідну конструкцію (іноді насос розташовують усередині носка валу), при затопленому насосі на носку вала кріпиться приводна шестерня. При використанні для корінних опор підшипників кочення, конструкція вала повинна враховувати необхідність подачі мастила всередину валу. При змащенню розбризкуванням на валу (іноді на шатунах) повинні бути спеціальні пристрої, часто їх розташовують на противагах. У крейцкопфних компресорах додатково передбачають пристрій для ручного повертання валу.

Для колінчатих валів застосовують високоякісну вуглецеву або леговану сталь (Ст.45). Термообробку валу роблять до твердості 240-300НВ, а поверхня шатунних і корінних шийок (при підшипниках ковзання) – до твердості 56-62RС. При двоопорних валах у вітчизняній практиці застосовують корінні підшипники кочення (переваги – менші втрати тертя, менш жорсткі вимоги до соосності і т.д.). Більшість закордонних фірм застосовують корінні підшипники ковзання (переваги – більш проста система подачі мастила у вал, знижений рівень шуму).

Шатун.Основними вимогами, до шатуна, є: жорсткість при поздовжньому вигині, міцність, мінімальна маса. При серійному і масовому виробництві шатуни штампують (звичайно двутаврового перетину). При індивідуальному виробництві (для великих машин) їх виготовляють із поковок виточеними зі стрижнем круглого перетину. Верхні голівки шатунів – нероз'ємні з запресованими бронзовими чопами; нижні голівки при колінчатих валах із закритими кривошипами – рознімні, скріплені шатунними болтами; при ексцентрикових валах та колінчатих з відкритими кривошипами – нероз’ємні.

Переважне поширення мають шатуни зі змінними біметалевими вкладишами. Вкладиші бувають тонкостінні з антифрикційним шаром із сплавів на базі олова (баббіти), з алюмінієвих сплавів або зі свинцюватих бронз і товстостінні з антифрикційним шаром із баббіту. У останньому випадку встановлюють регулювальні прокладки в стику між кришкою і тілом шатуна, що дозволяють витримувати необхідний зазор у підшипнику по мірі зношення валу й антифрикційного шару. Застосовують також цільноалюмінієві і бронзові шатуни, що не мають ні чопів, ні вкладишів. Шатуни зі змінними чопами і вкладишами виготовляють із конструкційної вуглецевої сталі, наприклад Ст.40, вкладиші зі сталевої стрічки (тонкостінні). Товстостінні вкладиші виточують із сталевих або бронзових заготовок.

Зазор між шатунною шийкою валу і вкладишем шатуна у випадку примусового змащення підшипників повинен складати 0,001-0,0015 діаметра шатунної шийки (посадка А/Х), а при змащенні розбризкуванням (малі машини) від 0,0015 до 0,0025 діаметра шийки (посадка А/Ш). При використанні сталеалюмінієвих вкладишів зазор повинен бути збільшений приблизно в 1,3-1,5 рази

Крейцкопф.Корпус крейцкопфа виготовляють із сталевого виливка. Башмаки крейцкопфів виконують із чавуна, алюмінію або з заливкою баббітом.

Шток поршня.Вимоги: поздовжня жорсткість, міцність і велика зносостійкість. Штоки виготовляють із високоякісних вуглецевих сталей, що каляться, із зміцненням зовнішньої поверхні. Для регулювання лінійного мертвого об’єму їх кріплять до крейцкопфів на різьбленні спеціальними фіксуючими гайками. Зовнішній діаметр штока виконують по посадці Д; твердість поверхні – 50-60 НКС.

Шатунні болти. Бувають прохідні з гайками і такі що ввертаються в тіло шатуна. У першому випадку їх виконують із паском, що центрує положення кришки щодо тіла шатуна (посадка А/Д). Ввертні болти встановлюють із зазором (у кришці), і тоді центрування забезпечується іншими елементами – пасками в кришці і тілі шатуна, штифтами і т.п. Дуже важливо забезпечити надійну фіксацію шатунних болтів від самовідкручування, зокрема з огляду на велику частоту зміни навантаження. Прохідні болти з гайками контрять частіше усього шплінтами, ввертні – дротом (попарно або за допомогою спеціальних отворів у кришці) або відгинними фасонними шайбами. В усіх випадках для забезпечення надійного затягування болтів бажано застосування тарованого інструменту.

Болти і гайки виконують із класним різьбленням, звертаючи особливу увагу на необхідність максимального зниження концентрації напруг. Матеріал болтів– леговані сталі з високими втомлювальними властивостями (38ХА і т.п.). Загартування до 28-38 НRС.

Поршні.Розрізняють дискові і тронкові. Дискові ковзні поршні застосовують у крейцкопфних компресорах. Висота дискового поршня у вертикальних компресорах визначається з умови розміщення на ньому ущільнювальних кілець, а в горизонтальних, крім того, – необхідною опорною поверхнею, що сприймає вагу поршня. При горизонтальному розташуванні поршень нижньою своєю частиною спирається на поверхню циліндра (дзеркало) і, як правило, має бабітову подушку. Цю частину поверхні поршня опрацьовують по посадці Д другого класу точності, а у верхніх двох третин бічної поверхні поршня зменшують радіус на 0,5-0,8 мм для запобігання від заїдання поршня при зносі його опорної поверхні. У вертикальних крейцкопфних компресорах зазор між циліндром і поршнем звичайно складає від 0,01 до 0,02 діаметра поршня.

Тронкові поршні з розвиненою бічною поверхнею (для сприйняття нормальних сил кривошипно-шатунного механізму) застосовують у безкрейцкопфних компресорах. Тронкові поршні виконують із високоякісних чавунів або алюмінієвих сплавів, наприклад АМГ-6. Для малих поршнів (діаметром до 50 мм) без ущільнювальних кілець застосовують чавун, алюмінієві сплави або низьковуглецеву автоматну сталь.

Отвори в бобишках поршня, як правило, забезпечують плаваючу посадку пальця, проте виготовляють компресори, у яких палець закріплений у поршні нерухомо, і тоді бобишки мають відповідну конструкцію.

Останнім часом багато виробників, у зв'язку з застосуванням кільцевих клапанів, виготовляють поршні з профільованим днищем для максимального витіснення мертвого об'єму.

Поршневі кільця.Ущільнювальні кільця призначені для зменшення відпливу пари з порожнини стискання циліндра. Ущільнення забезпечується власною пружністю кілець або закладеного в канавку поршня еспандера, тиском пара, що проникає в канавку під кільцем, і лабіринтовою дією набору кілець. Поршневі кільця виконують із прорізом (замком), і у вільному стані діаметр їх більше, ніж діаметр циліндра. Замок може бути прямим або косим (під кутом 45). Для компенсації теплового розширення кільця замок має зазор, через який відбувається основний відплив пари, що залежить від величини зазору і від різниці тисків до і після кільця.

У холодильних компресорах, у яких різниця тисків між нагнітанням і усмоктуванням не перевищує 2,1 МПа, поршні виконують із чотирма (частота обертання від 8 до 12 с-1 ), із трьома (понад 12 до 16 с-1) або з двома (понад 16 до 24 с-1) ущільнювальними кільцями.

У безкрейцкопфних компресорах для зниження винесення мастила з картера крім ущільнювальних кілець встановлюють мастилоз’ємні. У прямоточних одноступеневих компресорах мастилоз’ємні кільця розміщують у нижньої крайки поршня. При цьому крайка кільця в нижній мертвій точці виступає в порожнину картера, а у верхній мертвій точці не доходить до нижньої крайки усмоктувальних вікон приблизно на величину висоти кільця. Мастилоз’ємні кільця в непрямоточних тронкових поршнях розташовані безпосередньо за ущільнювальними у верхній частині до отвору під палець. У двохступеневих прямоточних компресорах для зменшення винесенні мастила з картера в нижній частині поршня крім мастилоз’ємних передбачають одне або два ущільнювальних кільця. У цьому випадку верхнє кільце також не повинне доходити до усмоктувальних вікон.

Питоме навантаження на дзеркало циліндра (від сил пружності кілець) повинна бути не більше 0,15-0,2 МПа. Зазор у замку при встановленні кільця в контрольний калібр або в циліндр складає 0,004 діаметра циліндра. Відношення висоти кільця до його ширини – від 0,6 до 0,7. поршневі кільця виконують із чавуну. Найбільше прогресивним є індивідуальний виливок кілець спеціальної некруглої форми. Такі кільця забезпечують найбільше повний контакт із дзеркалом циліндра. Застосовують і групові заготовки – циліндричні виливки – маслоти.

В даний час різноманітними фірмами застосовується багато конструкцій металевих і пластмасових поршневих кілець із застосуванням радіальних або тангенціальних експандерів. Останнім часом знаходять усе більше поширення кільця з неметалевих матеріалів з експандером, тому що при цьому різко знижується зношення дзеркала циліндра. Матеріал неметалевих кілець повинний бути термостійким не тільки при робочих, але і при аварійних температурах (найбільші температури впливають на кільця при поломках пластин нагнітального клапанна). У торцеві поверхні неметалевих кілець із часом вкраплюються металеві і грязьові частки, тому конструкція таких кілець і канавок для них у поршнях повинна забезпечувати фіксацію від провертання, в іншому випадку неминуче швидке зношення канавок поршня (особливо з алюмінієвих сплавів) і, як наслідок, підвищене винесення мастила з картера компресора.

Палець поршня (крейцкопфа).Основними вимогами, до пальця, є: точність виготовлення, витривалість, жорсткість і висока твердість робочої поверхні. Поршневі пальці компресорів холодильних машин закріплюють у бобишках поршня (крейцкопфа) або фіксують лише в осьовому напрямку (плаваючі пальці). Східчастий палець затягують у бобишках поршня гвинтом, що надійно фіксується. У крейцкопфах палець звичайно поміщають у конусних отворах бобишок; він утримується від провертання шпонкою. У більшості багатооборотних безкрейцкопфних компресорів застосовують плаваючі пальці. Від осьового переміщення в бобишках поршня їх утримують пружинні кільця. У малих непрямоточних поршнях у торцеві отвори пальця вставляють пробки з антифрикційних матеріалів (алюміній, бронза, пластмаса).

Пальці виконують із легованих сталей, наприклад 20Х, що цементуються із наступним загартуванням цементованого шару або з високовуглецевих сталей із загартуванням токами високої частоти (ТВЧ), в обох випадках товщина шару 0,4-0,6 мм, а твердість його 56-62 RС. Зазор між пальцями і втулкою складає 0,001-0,0015 діаметра пальця.

Клапани.Основними вимогами до клапанів, є: максимальний прохідний перетин; мінімальні мертві об'єми, внесені клапанами; найбільша прямолінійність потоку холодильного агента; невеличкі переміщення і мала маса замикаючих органів (зменшення сили удару при посадці); герметичність, простота конструкції і мала трудомісткість її виготовлення.

Найбільше складним у конструктивному відношенні є забезпечення максимальних прохідних перетинів у клапанах при малих мертвих об’ємах у циліндрах. Чим більше діаметр циліндра і середньої швидкості поршня, тим складніше виконання цієї вимоги.

У малих непрямотечійних компресорах, де навіть при частоті обертання n=48с-1 середня швидкість поршня не досягає 3 м/с, можна за рахунок відсутності розеток усмоктувальних клапанів довести загальний мертвий об'єм циліндра до 2%. У сучасних швидкохідних компресорах мертві об'єми циліндра складають 3-4,5%. До 70-80% мертвого простору замкнуте в порожнинах розеток усмоктувальних і сідел нагнітальних клапанів. У низькотемпературних одноступінчатих і в циліндрах низького тиску двохступінчатих компресорів прагнуть до виконання клапанів із мертвим об'ємом , близьким до 2%. У великих і середніх компресорах найбільше поширені кільцеві клапани. Товщина пластин клапанів коливається від 0,8 до 1,5 мм. Висота піднімання пластин клапанів залежно від частоти обертання валу компресора наведено в таблиці 3.1.

Таблиця 3.1.

Частота обертання вала, с-1
Висота піднімання кільцевих клапанів, мм 2,5-3 2-2,4 1,4-1,8 1,3-1,7 1,1-1,5 0,6-0,8
Висота піднімання стрічкових клапанів, мм 4,7-5 3,6-4 2,4-2,6 2-2,2 1,8-2 1-1,2

 

У прямоточних компресорах у всмоктувальних клапанах, закріплених на поршнях, звичайно застосовують безпружинні кільцеві або стрічкові смугові клапани, що мають відносно менший мертвий об'єм. Відкриття і закриття замикаючих органів цих клапанів відбувається під дією сил інерції. У малих безкрейцкопфних компресорах поширені клапани з тонколистової холодно-тянутої сталі товщиною від 0,2 до 1 мм. Форма пластин різноманітна.

У холодильних компресорах застосовують також смугові самопружинні клапани. Форма розетки клапанна відповідає лінії прогину рівномірно навантаженої балки на двох опорах. Припустимий прогин пластини в середній частині звичайно дорівнює подвійній величині підйому кільцевих пластин (див. вище). Пластини, крім прогину, мають вільний підйом 0,2-0,4 мм. Посадка на сідло клапанна відбувається за рахунок упругої деформації пластини, що прагне прийняти прямолінійну форму, і зворотного тиску пари.

В малих та середніх компресорах поширені язичкові усмоктувальні клапани, де пластини прогинаються усередину циліндра. При цьому один її кінець затиснений плитою, а другий вільний, але при відкритті хід вільного кінця обмежується уступом на циліндрі. Такі клапани застосовують при Dц<70мм. На ще менших компресорах (при Dц<50мм) використовують кільцеві пластини, сполучені трьома – п’ятьма перемичками з центральною частиною, у якій є отвір для кріплення до плити. Обидва типи клапанів дозволяють обійтися мінімальним мертвим об’ємом і утворюють гарні проходи для пари. Їхня головна хиба складається в тому, що при поломці пластини велика можливість досить важких ушкоджень циліндра і поршня, оскільки уламки пластини неминуче потрапляють у циліндр.

У малих непрямотечійних фреонових компресорах усмоктувальні і нагнітальні клапани звичайно розміщають на одній плиті, що покривають циліндри, як це було показано вище, при цьому може істотно збільшитися підігрівання пара на усмоктуванні.

Статична щільність клапанна (при зупинці компресора) є показником його справності і має особливе значення для нагнітальних клапанів автоматизованих компресорів. Цій вимозі задовольняють кільцеві і п’ятачкові (дискові) пружинні клапани. Їхню статичну щільність перевіряють у зібраному компресорі. До усмоктувальних клапанів пред'являють вимогу тільки динамічної щільності – відсутності перетіканнів через щілини клапанів під час ходу нагнітання.

Сідла і розетки клапанів виконують із вуглецевої сталі, термічно обробленої до твердості 240-320 НВ, а також із високоякісного чавуну СЧ24-44 (метод коркового лиття) або зі сталевого лиття по моделям що виплавляються. Кільцеві пластини клапанів виготовляють з аркушевих хромистих легованих сталей марок У8А, 30ХГСА або 30Х13 із термообробкою До твердості 48-52 НКС. Для смугових клапанів застосовують світлі холоднотянуті сталі марок 70С2ХА або У10А (твердість по Виккерсу більш 500 ОД). Для виготовлення кільцевих клапанів застосовують також хромисті сталі, оброблені в розплаві синтетичними шлаками, або сталі електрошлакового переплаву. Для підвищення довговічності пластин (найбільше уразлива деталь), щоб матеріал мав якнайменше неметалевих і газових включень, небажані сірка, фосфор і великогольчата структура. Вирішальну роль грає якість термообробки (бажаний розкид по твердості не більш НКС 2) і фінішного механічного обробляння.

При виготовленні циліндричних крапкових пружин кільцевих клапанів звичайно застосовують пружинний дріт. Хиба таких пружин складається в обмеженій термостійкості і, як наслідок, нестабільній у часі жорсткості. Цей дріт задовільно працює до температур 120-140 С; у той час як у місцях розміщення нагнітальних клапанів бувають температури і більш високі, особливо при поломках пластин. Тому бажано застосовувати сталі типу 50 ХФА. Інші типи пружин – пластинчасті – досить складні у виробництві й утворять в усмоктувальному клапані відносно великі мертві об'єми, проте їхнє використання розширюється через більшу довговічність.

Мастильні пристрої.У малих компресорах частіше усього застосовують барботажне змащення деталей, що рухаються: за допомогою спеціальних разбризкувачів утворюється масляний туман, або підтримують рівень мастила в картері на висоті осі колінчатого вала (затоплене змащення для сальникових компресорів). Примусове змащення малих компресорів можна здійснювати при вертикальному розташуванні вала за допомогою відцентрового насоса, виконаного на його кінці, а при горизонтальному розташуванні вала – шестерінним або ротаційним однолопастним насосом. Застосовують також відцентрове змащення за рахунок підведення мастила до центру вала і відведення його по сверлениям до периметра шийок.

У середніх і великих компресорах примусове змащення в більшості конструкцій здійснюють від шестеренного насоса, у рідкісних випадках – від плунжерного. Найбільш надійний насос, затоплений у масляній ванній компресора, проте таке розміщення насоса громіздко і трудоємко, тому що потребує спеціального приводу, іноді за допомогою трьох шестерен. Крім того, такий привід служить джерелом додаткового шуму. Тому знаходять широке застосування насоси, вісь яких збігається з віссю колінчатого вала і привід здійснюється за допомогою простих компактних елементів. Такі насоси частіше усього виконують із шестернями внутрішнього зачеплення, що робить їх ще більш компактними і забезпечує підвищену працездатність на мастилі, насиченому холодильним агентом. Це особливо важливо для компресорів, що працюють на мастилі і холодильному агенті, що характеризуються гарною взаємною розчинністю, зокрема при запусках після тривалої стоянки і при вологому ході компресора.

На усмоктувальній лінії насоса встановлюють сітчастий фільтр. Сітку розташовують на висоті 10-15 мм від дна картера. Число отворів у 1 см2 сітки від 150 до 300. Прохідний перетин сітки у світлі підбирають як можна більше, але не менше 10 кратного поперечного перетину усмоктувальної труби масляного насоса. Іноді сітку доповнюють постійними магнітами. На нагнітальній лінії масляного насоса в середніх і великих компресорах установлюють фільтри тонкого очищення, а в деяких випадках перед насосом фільтри грубого очищення. Щоб запобігти припиненню подачі мастила при забрудненні фільтра застосовують перепускні клапани, проте в ряді випадків віддають перевагу примусово відключати компресор за допомогою захисного реле. Фільтри можуть бкти різноманітної конструкції: патронні, дротові, пластинчаті і т. ін.

Перетин трубопроводів підбирають так, щоб швидкість мастила не перевищувала 0,7-1,0 м/с. Тиск мастила підтримують на рівні, що перевищує тиск у картері компресора на 60-250 кПа. Тиск регулюється перепускним клапаном, що скидає мастило з нагнітального трубопроводу в картер.

При використанні корінних підшипників ковзання до них звичайно підводять усе мастило, подаване насосом, що потім по масляних каналах колінчатого вала надходить до шатунів і сальника. При корінних підшипниках кочення мастило підводиться до сальника, із якого по каналах валу надходить до інших об'єктів змащення. У безсальникових компресорах із підшипниками качення підведення мастила до вала здійснюють через спеціальні вузли різноманітної конструкції.

У безкрейцкопфних компресорах втулки верхньої головки шатуна, пальці і бобишки поршнів змазуються бризками мастила, що потрапляють із картера. У компресорах більшої продуктивності для змащення верхнього чопа і пальця передбачають спеціальні сверления або трубки в стрижні шатуна, через які мастило надходить від шатунної шийки вала. Дзеркала циліндрів, поршень і поршневі кільця в безкрейцкопфних компресорах змазуються мастилом, що розприскується з торцевих зазорів між нижніми головками шатуна і галтелями шатунних шийок валу.

У крейцкопфних компресорах змащення механізму руху (корінні і шатунні підшипники вала, пальці і повзуни крейцкопфів) роблять за допомогою шестерінчатого насоса, дзеркало циліндрів, поверхні поршнів і сальники штоків – багатоплунжерними лубрикаторами. Кожне місце підведення змащення обслуговується окремим плунжером лубрикатора. Лубрикатори і шестерінчаті насоси приводяться в дію індивідуальними електродвигунами. Звичайно ці насоси з фільтрами і масляним холодильником скомпоновані в окремий виносний агрегат. При цьому обов’язково передбачають електричне блокування компресора, що не припускає включення компресора до запуску масляних насосів і лубрикаторов і виключає двигун компресора у випадку відключення масляного насоса або лубрикатора.

Корпуси масляних насосів виготовляють із чавунного лиття, шестерні – із вуглецевої сталі з термічним оброблянням до твердості 240-280 НВ, валики – із вуглецевої сталі що цементується, загартованої до твердості 48-52 КС.

Торцеві зазори між шестернями, корпусом і кришкою витримують рівними 0,05 мм на 100 мм висоти шестерен.

Ущільнення штоків і приводного кінця вала (сальники). Сальники є відповідальними вузлами холодильних компресорів. Від їхньої роботи залежать герметичність і надійність машини.

Штоки крейцкопфних компресорів ущільнюють багатогокамерними сальниками з розрізними металевими кільцями (жорстка набивка), що виконують із чавуну або алюмінію. Сальники змащують мастилом за допомогою лубрикатора через ліхтар. Число камер у сальнику для аміачних компресорів – від 3 до 4 при діаметрі штока 50-150 мм. Гарне ущільнення сальника залежить від ступеня прилягання (без зазора) тертьової поверхні кілець до штока, а також торців кілець один до одного і до обойм, осьовий зазор між поверхнями кілець і обоймою не повинен перевищувати 0,03-0,05 мм.

У безкрейцкопфних компресорах для ущільнення приводного обертового кінця вала застосовують сальники з кільцями торцевого тертя. Найбільше поширені сальники з пружними елементами, наприклад пружинні з ущільнювальними кільцями. В даний час переважають пружинні сальники з торцевою парою тертя загартована сталь – композиційний матеріал на базі графіту і пружного ущільнення по валу і масляному затворі.

Переваги цих сальників: простота монтажу й експлуатації, невеличка трудомісткість виготовлення основних деталей (рухливого й ущільнювального кільця) і гарний відвід тепла тертя мастилом, що прокачується через сальник.

При діаметрі вау до 50мм сальники виконують з одною центральною пружиною; при більшому діаметрі валу звичайно встановлюють декілька пружин, укладених у сепараторі.

Для виготовлення тертьової пари в сальниках застосовують високооловянисту фосфорну бронзу (твердість 100-130 НВ), спеціалізований металографіт (марок АГ-1500-Б83, АПГ-Б83) і загартована вуглецева або легована сталь, що цементується твердістю 56-64 RС. Рухливе кільце сальника виконують, як правило, із сталі. Його ущільнюють на валу гумовим або фторопластовим кільцем, стійким до фреонів, аміаку і мастила.

Питомий тиск на пружне ущільнювальне кільце припускається в межах 0,3-0,5 МПа.

 

1.7. Регулювання холодопродуктивності поршневого компресора

Продуктивність поршневих холодильних компресорів необхідно регулювати, щоб забезпечити їхню роботу при змінних режимах, наприклад зменшувати продуктивність при зменшенні теплового навантаження випарника, що необхідно для підтримування сталої температури кипіння. Розрізняють плавне та ступеневе регулювання. Плавне регулювання є кращим, оскільки дозволяє міняти продуктивність залежно від теплового навантаження випарника, однак на практиці простіше буває організувати ступеневе регулювання.

Плавне регулювання здійснюють такими способами: зміною частоти обертання валу компресора, дроселюванням на всмоктуванні, підключенням додаткового мертвого простору, перепусканнями робочої речовини з нагнітання на всмоктування, примусове відкривання всмоктувальних клапанів на частині ходу поршня.

Ступеневе ругулювання здійснюють такими способами: пуск та зупинка компресора, перепускання робочої речовини на частині ходу поршня, відключення окремих циліндрів чи блоків, використання багатошвидкісних двигунів.

Зміна частоти обертання вала компресора. При цьому способі холодопродуктивність компресора змінюється майже пропорційно зміні частоти обертання валу. Плавне регулювання частіше усього здійснюють включенням регульованого опору в ланцюг приводу двигуна постійного току.

Переваги регулювання зміною частоти обертання: відсутність додаткових пристроїв у конструкції компресора, збереження високих значень об’ємних і енергетичних коефіцієнтів компресора. Складність і підвищена вартість електропривода (нині близько 100 євро на кВт встановленої потужності) обмежує область застосування даного засобу регулювання.

Дроселювання пара перед усмоктуванням. Плавну зміну продуктивності компресора можна здійснити шляхом встановлення в усмоктувальній лінії дросельного пристрою, у вигляді вентиля, шибера або засувки. При зменшенні прохідного перетину дроселя збільшується його опір, тому тиск пари, що надходить у циліндр, зменшується (рис.3.28). При цьому тиск у випарнику, а отже, і питома холодопродуктивність залишаються старими, а питома ізоентропна робота зростає. Коефіцієнт подачі компресора зменшується, тому що зменшується об'ємний коефіцієнт Зменшуються також коефіцієнти lw і hі, через більш високу температуру нагнітання. Індикаторна потужність компресора в новому режимі може як збільшуватися, так і зменшуватися, у залежності від співвідношення тисків конденсації і всмоктування.

 



 


Рис.3.2. Регулювання дроселюванням на всмоктуванні: а) процеси при дроселюванні на всмоктування в s-T діагармі; б) індикаторна діаграма при повній та частковій продуктивності

 

Для оцінки енергетичної ефективності даного засобу регулювання порівняємо холодильні коефіцієнти без дроселювання і з дроселюванням.

Холодопродуктивність компресора відповідно цим зазначеним випадкам визначиться з виразів:

; . (3.)

Індикаторна потужність для цих же режимів:

; . (3.)

З приведених рівнянь випливає:

. (3.)

Ефективний холодильний коефіцієнт при дроселюванні з урахуванням (3.) та (3.):

. (3.)

Оскільки , і то .

Підключення додаткового мертвого простору. При цьому способі до циліндра приєднується додатковий об’єм, величина якого може змінюватися плавно або східчасто. Додатковий об'єм збільшує мертвий простір циліндра, зменшує об’ємний коефіцієнт, коефіцієнт подавання і холодопродуктивність компресора. Якщо при цьому температура кипіння і конденсації не змінюються,то зменшення холодопродуктивності буде прямо пропорційним зменшенню коефіцієнта подавання. Те ж саме (із деяким наближенням) можна сказати і про індикаторну потужність. Тоді ефективний холодильний коефіцієнт після підключення додаткового шкідливого простору дорівнює

. (3.)

Зіставлення виражень (5.48) і (5. 496) показує, що регулювання продуктивності компресора шляхом підключення додаткового мертвого простору більш енергетично вигідно, ніж дроселюванням пари на всмоктуванні. На рис. 3.29 показано схему реалізації регулювання шляхом підключення додаткового мертвого простору та індикаторну діаграму такого регулювання.

Рис.3.3. Регулювання підключенням додаткового мертвого простору: а) схема підключення;

б) індикаторна діаграма при повній та частковій продуктивності

 

Перепускання частини пари з нагнітальної лінії у всмоктувальну (байпасування).При цьому способі пара, стиснута компресором, ділиться на два потоки: один направляється в конденсатор і далі через регулюючий вентиль у випарник, інший дроселюється в спеціальному байпасному вентилі до тиску всмоктування і надходить у компресор, не беручи участь у процесі одержання холоду.

Таким чином, холодопродуктивність компресора зменшується, а потужність залишається приблизно старою. Холодильний коефіцієнт без регулювання і з регулюванням

; . (3.)

А саме, холодильний коефіцієнт після байпасування зменшується в стільки разів, у скільки знижується холодопродуктивність. Крім низької енергетичної ефективності байпування має іншу істотну хибу: зниження об’ємних і енергетичних коефіцієнтів через підвищене перегрівання пари навсмоктуванні і зростання температури нагнітання.

Примусове відкриття усмоктувальних клапанів. При цьому способі регулювання продуктивності, застосовуваному тільки для непрямотечійних компресорів, окремі циліндри виключаються з роботи шляхом фіксації у відкритому положенні пластин усмоктувальних клапанів. Примусове відкриття й утримання у відкритому стані усмоктувального клапанна здійснюється за допомогою гідравлічного, пневматичного або електромагнітного приводів.

Рис.3.4. Індикаторні діаграми при регулюванні поршневого компресора примусовим відкриванням всмоктувального клапана

 

Електромагнітний засіб підйому пластин всмоктувального клапанна має такі переваги: надійність і довговічність пристрою через відсутність штовхачів і інших рухливих частин; компактність пристрою, що досягається завдяки можливості розміщення його в розетці клапанна або у верхній кришці циліндрів.

У відключеному циліндрі пара, що всмоктується у циліндр при рухові поршня вниз, виштовхується при його зворотному прямуваннійого у всмоктувальну порожнину компресора. Цей спосіб достатньо економний, тому що в циліндрі з відкритими клапанами витрачається робота лише на тертя і порівняно невеличка робота на проштовхування пари через клапан, що еквівалентна заштрихованої площі індикаторної діаграми 1 на рис.3.

Холодопродуктивність компресора з числом циліндрів z іпісля примусового відкриття dсмоктувальних клапанів одного або декількох циліндрів зменшиться відповідно до виразу

, (3.)

де z' число циліндрів із нормально працюючими всмоктувальними клапанами після регулювання.

Аналогічно зменшиться індикаторна потужність компресора (без врахування індикаторної роботи у відключених циліндрах): . Потужність тертя у відключених циліндрах зменшиться незначно, тому

. (3.)

З урахуванням очевидногоспіввідношення :

. (3.)

З цього виражу випливає, що зменшення холодильного коефіцієнта після примусового відкриття усмоктувальних клапанів пов’язано з відносним збільшенням потужності тертя. Проте цей спосіб регулювання енергетично вигідніший дроселювання пари на усмоктуванні.

Існує спосіб регулювання продуктивності компресора примусовим відкриттям всмоктувального клапанна на частині ходу поршня (діаграма 2 на мал. 5.29). Однак таке регулювання потребує хороших та вартісних засобів автоматизації. Діаграма 3 на цьому рисунку відповідає роботі циліндра без регулювання продуктивності.

Перепускання пари через регулюючі байпаси.Цей спосіб знаходить застосування для великих прямотечійних компресорів. Байпас 5 (мал. 5.30) з'єднує порожнину стискання циліндра з усмоктувальною порожниною 7. Пропускне вікно циліндра розташовують звичайно на висоті 3/4 ходу поршня. При відкритому соленоїдному вентилі 6 золотник байпаса знаходиться в лівому положенні і не перешкоджає перепуску пари в усмоктувальну порожнину. При закритті вентиля 6 пара проходить із нагнітальної лінії 2 через фільтр 3 і дросельний вентиль 4 і поступово підвищує тиск у порожнині, розташованої зліва від золотника. З цієї причини золотник переборює зусилля пружини, переміщається вправо і перекриває перепускний канал. Регулюючі байпаси використовуються також і для розвантаження компресора під час пуску компресора.

Вимикання окремих циліндрів або блоків. На мал. показана найпростіша схема вимикання блоку циліндрів компресора. При відкритому вентилі 4 два правих циліндри виключаються з роботи, тому що їхня нагнітальна сторона буде сполучена з усмоктувальною лінією 1. Два лівих циліндри будуть працювати нормально, тому що нагнітальна лінія 2 від’єднана від правого блоку зворотним клапаном 3. Як і в попередньому випадку, пристрій використовується і для розвантаження компресора під час пуску.

 

Пуск та зупинка компресора використовується, як правило в машинах невеликої продуктивності, якщо компресор один, та у великих холодильних установках, де встановлена велика кількість компресорів.

Зупинка та запуск компресора в роботу відбувається за сигналом датчика температури робочої речовини на виході з випарника. Таким чином підтримується необхідна температура в охолоджуваному приміщенні, діапазон зміни якої визначається технологічним регламентом. Різниця між температурами пуску та зупинки називається температурним диференціалом.

Часовий цикл роботи холодильної машини складається з робочої та неробочої частин. Коефіцієнтом робочого часу називають долю робочого часу в тривалості циклу

.

Режим роботи холодильної машини, який встановлюється при такому регулюванні характеризується суттєвою нестаціонарністю – коливання температури кипіння t0 в межах одного циклу можу досягати 10 - 25°. Діапазон зміни температури конденсації та охолоджуваного приміщення суттєво менший. В силу інерційності охолоджуваного приміщення цикл зміни його температури зміщений відносно циклу зміни температури кипіння.

За енергетичною ефективністю цей метод регулювання є достатньо досконалим. Додаткові затрати роботи визначаються необхідністю розгону рухомих мас компресора та двигуна при кожному пуску при достатньо великому часу роботи становлять 1-3%. Для малих холодильних машин додаткові затрати роботи не перевищують 1%. На рис. 3. показано характер зміни температур при риегулюванні пуском та зупинкою компресора.

 

 

Використання багатошвидкісних двигунів. В залежності від числа пар полюсів обмотки статора pсинхронна частота обертання двигунів , що живляться від мережі змінного струму з частотою 50 Гц, визначається залежністю

.

В синхронних двигунах частота обертання дорівнює синхронній, у асинхронних вона в середньому на 4% менша. За енергетичною ефективністю цей метод аналогічний плавній зміні частоти обертання, однак лише при фіксованих, визначених залежністю (3.) синхронних частотах. Цей спосіб може бути реалізовним у випадку використання багатошвидкісних електродвигунів перемінного току, що мають дві або три частоти обертання.

Розглянуті методи регулювання продуктивності, такі як перепуск, відключення циліндрів та блоків, часто використовуються під час пуску компресорів у роботу для розвантаження електродвигунів. Після того як компресор набирає необхідну частоту обертання, регулювання відключається.

 

 

1.8. Розрахунок поршневого компресора

 

Розрахунок поршневого компресора здійснюється як правило в такому порядку: 1) визначення об'єму, що описується поршнями; 2) вибір основних параметрів; 3) газодинамічний розрахунок; 4) динамічний розрахунок; 5) розрахунок на міцність.

Для визначення об'єму, що описується поршнями, необхідно знати холодопродуктивність, яку повинен забезпечити компресор, режим роботи, рід холодильного агенту.

Режим роботи визначається температурами кипіння, конденсації, всмоктування і температурою рідкого холодильного агента перед регулюючим вентилем (порядок визначення температур залежно від виду холодильного агента, типу холодильної машини та температур середовищ було розглянуто у курсі “Теоретичні основи холодильних машин”).

Об'єм, що описується поршнями компресора (м3/с),

.

Ефективна потужність у заданому режимі роботи

.

Об’ємні і енергетичні коефіцієнти (λ і h) вибирають за експериментальними даними для однотипних компресорів, що випускаються, близьких за конструкцією та продуктивністю. Для орієнтованих розрахунків застосовують залежності (2.19), (2.20) і ін.

Втрати тиску на усмоктуванні і нагнітанні приймають за згідно експериментальних даних наведених вище.

Потрібно відзначити, що робота холодильного компресора не обмежується заданим режимом; у реальних умовах режими роботи можуть істотно відрізнятися від заданого (зміни температури охолодного середовища, навколишнього середовища, режиму охолодження та ін.). Для врахування екстремальних умов роботи поршневого холодильного компресора введено три розрахункових режими.

Перший розрахунковий режим – режим максимальної різниці тисків конденсації та кипіння, за яким розраховують на міцність деталі механізму руху компресора.

Другий розрахунковий режим – режим максимальної потужності на валу компресора. У цьому режимі середній індикаторний тиск має максимальне значення і максимальна потужність – . Для цього режиму тиск конденсації визначається за максимальною для даного холодильного агента температурі конденсації, а тиск кипіння - із співвідношення . За другим розрахунковим режимом проводять розрахунок змащування і вибір потужності приводу.

Третій розрахунковий режим – режим випробувальних тисків. Застосовують для розрахунку на міцність корпусних деталей компресора, що працюють під тиском парів холодильного агенту: картерів, блок-картерів, кришок картерів і циліндрів.

Розрахункові умови для одноступеневих поршневих холодильних компресорів нової градації зазначені в табл. 5.1.

Основні розміри і параметри.До основних розмірів компресора відносять: D – діаметр циліндра, м; S – хід поршня, м; d - діаметри штоків, якщо вони є, м. Основні розміри дозволяють визначити робочий об’єм циліндрів компресора.

Основними параметрами компресорів є відношення ходу поршня до діаметра циліндра ,частота обертання валу n,с-1; приведена частота обертання і відносний мертвий об'єм с, %. До похідних параметрів відносятьcя: середня швидкість поршня , м/с; максимальне прискорення , м/с2 або параметр прискорення , м/с2; максимальні питомі сили інерції , Па; параметр питомих сил інерції; секундний (або годинний) теоретичний об'єм, описаний поршнями Vh м3/с.

Під час розрахунку компресора необхідно підібрати таку комбінацію параметрів,яка б забезпечила необхідний описаний об'єм, відповідно до залежності

. (1)

З рівняння (1) з урахуванням того, що , можна отримати

. (2)

Співвідношення (2) показує, що величина y при інших однакових параметрах впливає на діаметр циліндра і хід поршня, тобто на розміри і пропорції компресора. Збільшення числа y дозволяє зменшити діаметр циліндра і скоротити відносний мертвий об'єм. Проте при цьому збільшуються хід поршня, довжина шатуна і зростають питомі сили інерції. Компресори з малими значеннями y мають, як правило, порівняно високі частоти обертання валу. Збільшення y доцільно в тих випадках, коли для деталей механізму руху можна застосувати матеріали з високими механічними властивостями і забезпечити припустиму швидкість пари в прохідних перетинах клапанів. Для сучасних холодильних компресорів значення y приймають: для крейцкопфних машин подвійної дії – 0,9-0,8; для безкрейцкопфних – 0,8-0,6; для підтискаючих – 0,7-0,5.

Одним із найважливіших параметрів компресора є частота обертання колінчатого валу. Із збільшенням n зменшуються габаритні розміри і маса машини. Проте від значення n залежать не тільки розміри компресора, але й об'ємні та енергетичні коефіцієнти, динамічні характеристики, протікання робочих процесів, трудомісткість виготовлення, надійність, економічність, довговічність компресора і приводу.

Сучасне компресоробудування характеризується тенденцією підвищення частоти обертання валу машин. Проте збільшення параметра n призводить до різкого зростання сил інерції і до додаткових втрат потужності і продуктивності, до зниження надійності. Частота обертання валу компресорів, що випускаються, визначається технічним рівнем машинобудування на даний час. Подальше підвищення n можливо тільки за умови удосконалення конструкції окремих вузлів і компресорів у цілому, при підвищенні вимог до конструкційних матеріалів і мастил.

Велика частина сучасних холодильних безкрейцкопфних компресорів має безпосередній привід від електродвигунів. Їхня частота обертання приймається за електродвигунами із синхронною швидкістю обертання 16,7 і 25 с-1. В даний час освоюються компресори з частотою обертання 50 с-1.

Безпосередньо з частотою обертання пов’язаний інший важливий параметр – середня швидкість поршня

. (3)

Середня швидкість поршня в значній мірі визначає гідравлічні втрати в газовому тракті, інерційні зусилля, потужність тертя і зношення тертьових деталей. Для сучасних безкрейцкопфних компресорів вона коливається в межах 2-5 м/с.

Одним із динамічних показників компресора, що характеризують ступінь його форсування, є параметр питомих сил інерції

. (4)

Діаметр циліндра може бути знайдений за напівемпіричною формулою

. (5)

де Ki – параметр питомих сил інерції при ході поршня 0,04¸0,12 м, залежить від типу компресора: Ki=2…4 для малооборотних крейцкопфних компресорів подвійної дії, Ki=5…14 для безкрейцкопфних компресорів, Ki=9…14 для високооборотних безкрейцкопфних компресорів, Ki=17…19 для гранично форсованих за частотою обертання компресорів; z – прийняте число циліндрів, (для сучасних компресорів рекомендуються наступні значення y: для аміачних та фреонових підвищеного тиску (R13, R14, R13b) – 0,7…0,9; для решти фреонових – 0,5…0,7).

Під час розрахунку нових компресорів, припустимими можна вважати значення Kі в 1,5…2 рази більше наведених вище.

На рис.1 показана залежність параметра Kі від описаного об’єму одного циліндра характерна для більшості сучасних безкрейцкопфних компресорів.

 

Рис.1. Залежність параметра Kі від описаного об’єму одного циліндра

 

Газодинамічний розрахунок. Газодинамічний розрахунок проводять із метою забезпечення припустимих швидкостей пари і гідравлічних втрат у характерних перетинах газового тракту, у тому числі й у клапанах.

Умовна середня швидкість в аналізованому перетині газового тракту

. (6)

де fх – площа аналізованого перерізу, м/с; Fп - площа поршня, м2.

Рекомендовані середні швидкості пари в прохідних перерізах аміачного компресора зазначені в табл.1.

Табл.1..

всмоктувальний патрубок 20…25
вікна циліндрів 15…20
сідло та розетка всмоктувального клапана 25…30
щілина всмоктувального клапана 40…60
сідло та розетка нагнітального клапана 30…35
щілина нагнітального клапана 40…60
нагнітальний патрубок 25…30

Для компресорів, що працюють на фреонах, наведені значення необхідно зменшувати:

для R22, R13, R14 на 10 – 20%;
для R142 на 20 – 30%;
для R12, R502, R12В1, R13В1 на 30 – 40%.

Для низькотемпературних компресорів (tо<-25 С) значення швидкостей, що рекомендуються, треба помножити на коефіцієнт (p/4)0,2, де p - відношення зовнішніх тисків.

Гідравлічні втрати на ділянці з коефіцієнтом місцевого опору z визначаються за формулою

. (7)

Під час проектування клапанів критерій швидкості потоку М0 має бути меншим деякої рекомендованої величини (0,25). Якщо ця умова не виконується, необхідно змінити конструкцію клапанна збільшивши його прохідний переріз.

Критерій швидкості потоку

, (8)

де – швидкість звуку; k – показник адіабати використаного холодоагенту, R – газова стала холодоагенту, Т – температура холодоагенту в клапані.

Значення – умовно постійна швидкість пари у клапані; – еквівалентна площа клапанна; – коефіцієнт витрати в щілині клапана.

Значення коефіцієнтів zщ клапанів холодильних поршневих компресорів звичайно знаходиться в межах 1,5-3, причому менші значення відносять до клапанів, що відчиняється безпосередньо усередину циліндра. Для кільцевих і стрічкових клапанів – 2.

Коефіцієнт витрати для усіх типів клапанів, крім прямотечійних, знаходять користуючись дослідною залежністю , запропонованою Френкелем (рис. ). Для прямотечійних клапанів приймають значення .

Гідравлічні втрати в нагнітальному та всмоктувальному клапані розраховують за формулою

, Па (9)

Динамічний розрахунок. Динамічний розрахунок проводиться з метою визначення сил і моментів, що діють у компресорі. Результати динамічного розрахунку використовуються для визначення необхідного махового моменту маховика; для розрахунку противаг; для визначення неврівноважених сил і моментів, що діють на фундамент; для розрахунку деталей компресора на міцність, підшипників на зношення і проектування системи змащення.

На механізм руху працюючого компресора впливають такі чинники: сили тиску пари в циліндрі; сили інерції мас, що рухаються зворотно-поступально; сили інерції неврівноважених обертових мас; сили тертя; обертаючий момент.

Сила від тиску пари на поршень

, Н, (10)

де рк і рв – тиск зі сторони кришки та зі сторони валу; Fк, Fв – площі поршня зі сторони кришки та зі сторони валу (для безкрейцкопфних компресорів вони рівні). Тиск зі сторони кришки буде змінюватися від рвс=(р0-Dрвс) до рн=(рк+Dрн), а тиск рв приймають рівним р0.

Питомі сили інерції від мас, що рухаються зворотно-поступально, визначаться за формулою

, Н. (11)

де mп – маса частин, що рухаються зворотно-поступально, кг; w – кутова швидкість обертання валу, дорівнює 2pn, рад/c; r - радіус кривошипа, рівний s/2, м;l - відношення радіуса кривошипа до довжини шатуна =0,17-0,22.

Масу поступально-рухомих частин визначають як суму мас поршня в зборі та однієї третини маси шатуна; для крейцкопфних машин сюди входять, маси штока і крейцкопфа.

Питомі сили тертя деталей, що рухаються зворотно-поступально ртрпс вважають постійними за величиною та рівними 0,06МПа або визначають за формулою

, Н. (12)

Підсумовування всіх сил дає вільну питому силу, Н:

. (13)

Рис.3.33. Сили, що діють на кривошипно-шатунний механізм

 

Сила Р діє по осі циліндра (рис.3.33) і може бути розкладена на силу Рш, що стискує або розтягує шатун, і силу Рц, що притискає поршень до стінки циліндра. Ці сили визначаються за формулами

; , Н. (14)

Кут відхилення шатуна від осі циліндра β залежить від кута повороту валу компресора αі може бути знайдений з таких міркувань:

звідки .

Силу Рш можна розкласти на тангенціальну и радіальну складові

; . (15)

Кожна з перерахованих сил змінюється залежно від кута обертання валу компресора, тому для розрахунку на міцність деталей компресора необхідно визначити, в яких положеннях валу вони мають найбільші значення. З цією метою будують діаграми сил, на яких показані значення сил залежно від кута повороту валу. В основу побудови покладають розрахункові індикаторні діаграми. На рис.3.4, 3.5, 3.6 та 3.7 показано побудову розрахункової індикаторної діаграми, діаграми сумарної вільної сили, діаграми тангенціальних сил та діаграми радіальних сил відповідно.

 

Рис.3.4. Розрахункова індикаторна діаграма

Рис.3.5. Діаграма сумарної вільної сили

 

Рис.3.5. Діаграма тангенціальних сил

Рис.3.6. Діаграма радіальних сил

Ці сили сприймаються опорами колінчатого вала, крім того, тангнціальна на плечі r створює момент, що перешкоджає його обертанню. По залежності Рt=f(a) будують тангенціальну діаграму для одного циліндра. При розташуванні на одній шатунній шийці двох або більш шатунів індикаторну діаграму для одного циліндра в тих же координатах пересувають по ходу обертання валу на кут розвалу (кут між осями циліндрів). При двоколінчатому валу сумують результуючі діаграми обох колін з урахуванням кута між ними.

Середнє значення Рtcр знаходять як висоту прямокутника, площа якого рівновелика площі під кривою Рt=f(a), а основа дорівнює довжині діаграми. На тих ділянках сумарної діаграми тангенціальних сил, де Рt > Рtcр кінетична енергія маховика витрачається, а частота обертання вала зменшується і навпаки. Нерівномірність обертання вала призводить до вібрації компресора і пульсації току в мережі живлення електродвигуна. Ступінь нерівномірності обертання валу можна визначити за формулою

, (16)

де f – надлишкова площа діаграми (однієї хвилі) над ординатою Рtcр, мм2; mp масштаб питомої сили Рt, Па/мм; mr – масштаб довжини кола обертання кривошипу, м/мм; Мм - маса маховика, кг; Dм - діаметр інерції маховика.

У випадку приводу від асинхронного електродвигуна з ремінною передачею або еластичною муфтою ступінь нерівномірності рекомендується приймати в межах 0,04–0,025. При заданому ступені нерівномірності за формулою можна розрахувати параметри маховика Мм і Dм. Для умонтованих електродвигунів маховий момент ротора повинний забезпечувати ступінь нерівномірності в межах 0,033-0,125.

Від неврівноважених обертових мас виникає відцентрова сила

, (17)

де mо - маса неврівноважених обертових частин, кг; r - радіус інерції маси, м. Маса складається з мас шатунної шийки, неврівноваженої частини щоки валу і частини маси шатуна, що звичайно складає 0,67mш, де mш - маса шатуна, кг.

Для зрівноваження сили інерції на валу з одним коліном установлюють дві противаги, маса яких знаходиться з умови 2mпрrпр = m0r, де rпр - відстань від центру ваги противаги до осі обертання, м (рис.5.33).

Силу інерції частин, що поступально рухаються, можна розкласти на дві: сили інерції першого порядку

, (18)

та другого порядку

. (19)

Обидві сили спрямовані по осі циліндра, але амплітуда сили інерції другого порядку в 1/l разом менше, а частота зміни вдвічі більша, ніж у сили першого порядку.

Встановимо додаткову противагу з масою М1 і радіусом інерції r1. Відцентрова сила, що розвивається нею, буде постійна за величиною і спрямована завжди по лінії кривошипу

. (20)

Розкладемо цю силу на вертикальну і горизонтальну складові:

вертикальна складова

. (21)

горизонтальна складова

. (22)

Зіставлення рівнянь (18) і (21) показує, що за умови mпr = М1r1 сили інерції першого порядку цілком врівноважуються. При цьому, проте, з’являється додатковий неврівноважений момент і неврівноважена горизонтальна складова.

Таким чином, противага може цілком або частково зрівноважити силу інерції першого порядку, але при цьому виникають сила в напрямку, перпендикулярному до осей циліндра і валу. Користуючись цією властивістю, можна рівномірно розподілити силу інерції першого порядку по вертикальному та горизонтальному напрямкам, прийнявши 0,5m