ПОРШНЕВАЯ РЕЗОНАНСНАЯ МАШИНА Российский патент 2005 года по МПК F01B25/02 F02D33/02 F02D41/18 

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 машины 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 содержит датчик угловой скорости вращения вала, датчик температуры окружающей среды, датчик барометрического давления окружающей среды, датчик температуры наддувочного воздуха, датчик давления наддувочного воздуха, 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, датчика барометрического давления окружающей среды, датчика температуры наддувочного воздуха, датчика давления наддувочного воздуха подают на входы блока с математической моделью работы поршневой резонансной машины; на первый вход первого блока сравнения подают рассчитанное значение давления наддувочного воздуха, соответствующее резонансному режиму при данных измеренных значениях температуры и барометрического давления окружающего воздуха, а на второй вход первого блока сравнения - выходной сигнал датчика давления наддувочного воздуха; на первый вход второго блока сравнения подают рассчитанное значение температуры наддувочного воздуха, соответствующее резонансному режиму при данных измеренных значениях температуры и барометрического давления окружающего воздуха, на второй вход второго блока сравнения - выходной сигнал датчика температуры наддувочного воздуха; с выходов первого и второго блоков сравнения подают сигналы на входы соответственно первого и второго исполнительно-регулирующих устройств, плавно изменяющих давление и температуру наддувочного воздуха 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 графическими изображениями, 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 - блок-схема резонансной поршневой машины;

фиг.7 - блок-схема микропроцессорной системы управления.

На схеме груз массой m, находящийся между двумя пружинами одинаковой жесткости, 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

mx+μх+2сх=F₀sinωτ,

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_с (ϕ>0, ϕ - текущая координата угла поворота кривошипа) часть индикаторной диаграммы, симметричную левой. Р_с - 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, обводная рамка, отнесенные к поступательному движению части масс шатунов), ведут себя аналогично грузу, изображенному на фиг.1. Амплитуда колебаний здесь равна радиусу кривошипа. Также имеются пружины (пружинные составляющие индикаторных диаграмм). Имеется и возмущающее воздействие (сумма производительных составляющих индикаторных диаграмм и сил сопротивления - вертикальные составляющие взаимодействия поршня с шатунами и цилиндрами). 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 сжатия и инерционных характеристик автоколебательной системы. Для эффективного резонансного режима необходимо влиять на угловую скорость ω или параметры рабочего процесса, от которых зависит ω_рез таким образом, чтобы поддерживать равенство ω=ω_рез.

При изменении характеристики наддува в цилиндрах поршневой машины изменяется пружинная составляющая индикаторной диаграммы. Выбирая соответствующим образом характеристику наддува, можно добиться того, что каждый эксплуатационный режим будет близок к резонансному. Значение резонансной угловой скорости ω_рез для поршневой машины может быть получено путем численного моделирования.

Предлагаемая поршневая резонансная машина 6 (фиг.6) с кривошипно-шатунным механизмом содержит первое исполнительно-регулирующее устройство 7, предназначенное для плавного изменения давления наддувочного воздуха р_нв, второе исполнительно-регулирующее устройство 8, предназначенное для плавного изменения температуры наддувочного воздуха t_нв, датчик 9 угловой скорости вращения вала поршневой машины ω_пм, датчики 10 и 11 соответственно температуры и барометрического давления окружающего воздуха, датчики 12 и 13 соответственно температуры и давления наддувочного воздуха, микропроцессорную систему управления 14. Микропроцессорная система управления в свою очередь содержит блок 15 (см. фиг.7) с математической моделью работы поршневой резонансной машины, первый блок сравнения 16, второй блок сравнения 17.

Поршневая резонансная машина работает следующим образом. В блоке 10, на вход которого подают выходные сигналы датчиков 9, 10, 11, 12 и 13, определяют путем численного моделирования значение угловой скорости вращения вала ω_рез, а также значения температуры и давления наддувочного воздуха, при которых наступает резонанс в данной колебательной системе при данных измеренных значениях температуры t_и и барометрического давления р_и окружающего воздуха (на фиг.7 ω_и - измеренное значение угловой скорости вращения вала). Выставляют значения и (грубая регулировка). При этом непрерывно измеряют угловую скорость вращения вала, температуру и давление наддувочного воздуха, температуру и барометрическое давление окружающего воздуха, а также непрерывно рассчитывают коэффициент неравномерности угловой скорости вращения вала поршневой машины в соответствии с выражением

где

ω_max - максимальная угловая скорость вращения вала;

ω_min - минимальная угловая скорость вращения вала;

ω_ср. - средняя угловая скорость вращения вала.

В блоке 15 проводят сравнение рассчитанного ω_рез и измеренного ω_и значений угловой скорости вращения вала, в первом блоке сравнения 16 - сравнение рассчитанного и измеренного значений давления наддувочного воздуха, во втором блоке сравнения 17 - сравнение рассчитанного и измеренного значений температуры наддувочного воздуха. Сигналы рассогласования Δр_нв и Δt_нв с выходов первого и второго блоков сравнения подают соответственно на первые входы первого и второго исполнительно-регулирующих устройств, плавно изменяющих давление и температуру наддувочного воздуха до тех пор, пока не наступит резонансный режим. Давление и температуру наддувочного воздуха автоматически подстраивают до выполнения условия минимума коэффициента неравномерности вращения вала поршневой машины 5 (тонкая регулировка). Причем на второй вход первого блока сравнения подают измеренное значение датчика 12, а на второй вход второго блока сравнения - измеренное значение датчика 13. Выполнение условия минимума коэффициента неравномерности угловой скорости вращения вала поршневой машины 5 означает, что поршневая машина настроена на резонансный режим.

Изобретение относится к поршневым машинам. Поршневая резонансная машина с кривошипно-шатунным механизмом содержит датчик угловой скорости вращения вала, датчик температуры окружающей среды, датчик барометрического давления окружающей среды, датчик температуры наддувочного воздуха, датчик давления наддувочного воздуха, 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, датчика барометрического давления окружающей среды, датчика температуры наддувочного воздуха, датчика давления наддувочного воздуха подают на входы блока с математической моделью работы поршневой резонансной машины. На первый вход первого блока сравнения подают рассчитанное значение давления наддувочного воздуха, соответствующее резонансному режиму при данных измеренных значениях температуры и барометрического давления окружающего воздуха. На второй вход первого блока сравнения подают выходной сигнал датчика давления наддувочного воздуха. На первый вход второго блока сравнения подают рассчитанное значение температуры наддувочного воздуха, соответствующее резонансному режиму при данных измеренных значениях температуры и барометрического давления окружающего воздуха, на второй вход - выходной сигнал датчика температуры наддувочного воздуха. С выходов первого и второго блоков сравнения подают сигналы на входы соответственно первого и второго исполнительно-регулирующих устройств, плавно изменяющих давление и температуру наддувочного воздуха до выполнения условия минимума коэффициента неравномерности угловой скорости вращения вала поршневой машины. Выполнение этого условия означает, что поршневая машина настроена на резонансный режим. Изобретение обеспечивает автоматическое поддержание в поршневой машине резонансного режима, минимальный коэффициент неравномерности угловой скорости вращения вала поршневой машины. 7 ил.

Поршневая резонансная машина с кривошипно-шатунным механизмом, отличающаяся тем, что содержит датчик угловой скорости вращения вала, датчик температуры окружающей среды, датчик барометрического давления окружающей среды, датчик температуры наддувочного воздуха, датчик давления наддувочного воздуха, 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, датчика барометрического давления окружающей среды, датчика температуры наддувочного воздуха, датчика давления наддувочного воздуха подают на входы блока с математической моделью работы поршневой резонансной машины; на первый вход первого блока сравнения подают рассчитанное значение давления наддувочного воздуха, соответствующее резонансному режиму при данных измеренных значениях температуры и барометрического давления окружающего воздуха, а на второй вход первого блока сравнения - выходной сигнал датчика давления наддувочного воздуха; на первый вход второго блока сравнения подают рассчитанное значение температуры наддувочного воздуха, соответствующее резонансному режиму при данных измеренных значениях температуры и барометрического давления окружающего воздуха, на второй вход второго блока сравнения - выходной сигнал датчика температуры наддувочного воздуха; с выходов первого и второго блоков сравнения подают сигналы на входы соответственно первого и второго исполнительно-регулирующих устройств, плавно изменяющих давление и температуру наддувочного воздуха до выполнения условия минимума коэффициента неравномерности угловой скорости вращения вала поршневой машины, причем выполнение этого условия означает, что поршневая машина настроена на резонансный режим.