Розробка наукових основ проектування та промислове впровадження теплових энергоприводів імпульсних машин для обробки металів тиском

Размещено на http://www.allbest.ru/

Державний аерокосмічний університет

ім. М. Є. Жуковського “ХАІ”

Боташев Анвар Юсуфович

УДК 621.983.044

621.7.044

РОЗРОБКА НАУКОВИХ ОСНОВ ПРОЕКТУВАННЯ

ТА ПРОМИСЛОВЕ ВПРОВАДЖЕННЯ ТЕПЛОВИХ ЕНЕРГОПРИВОДІВ

ІМПУЛЬСНИХ МАШИН ДЛЯ ОБРОБКИ МЕТАЛІВ ТИСКОМ

Спеціальність 05.03.05 - процеси та машини обробки тиском

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук

Харків 2000

Дисертацією є рукопис.

Роботу виконано у Державному аерокосмічному університеті
ім. М. Є. Жуковського “ХАІ”, Міністерство освіти і науки України.

Офіційні опоненти:

д. т. н., професор МОВШОВИЧ Олександр Якович,

Державний науково-дослідний інститут технології машинобудування, заступник директора з НДР;

д. т. н., професор РОГАНОВ Лев Леонідович,

Донбаська державна машинобудівна академія, зав. лабораторією

д. т. н., с. н. с. ЛОБАНОВ Віктор Костянтинович,

ДП “Завод імені Малишева”, зав. лабораторією;

Провідна установа:

Донецький науково-дослідний фізико-технічний інститут ім. А. А. Галкіна, НАН України.

Захист відбудеться “23” червня 2000 р. о 1400 год. на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 64.062.04 у Державному аерокосмічному університеті ім. М. Є. Жуковського “ХАІ”, 61070, Харків, вул. Чкалова, 17.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Державного аерокосмічного університету ім. М. Є. Жуковського “ХАІ” (Харків, вул. Чкалова, 17).

Автореферат розіслано “22” травня 2000 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Корнілов Г. Л.

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. У зв'язку з неухильним підвищенням споживання сировини, матеріалів та енергії однією з актуальних технічних задач сучасності є розробка та створення ресурсозберігаючих технологій і машин з більш високим ККД, широкими технологічними можливостями. До їх числа, зокрема, відносяться імпульсні методи металообробки. Ці методи дозволяють створювати безвідходні технології або істотно знижувати втрати металу при обробці. Разом з цим імпульсна металообробка у багатьох випадках забезпечує зниження витрат енергії та підвищення якості одержаних виробів. Це визначається більш високою концентрацією енергії, яку можна запасти з технологічною метою, відсутністю її витрат на переробку відходів за рахунок їх ліквідації та зменшення споживання енергії, наприклад, при переробці відходів, що більш щільно упаковані.

Одним з напрямків практичного втілення методу імпульсної обробки є машини, джерелом енергії в яких є горючий газ (метан, пропан, природний газ). Ці машини високопродуктивні, економічні, відрізняються високою енергоємністю, компактністю, малою металоємністю. Вони прості в експлуатації та надійні в роботі. Завдяки цим якостям імпульсні машини (ІМ) у відносно короткий період знайшли застосування у машинобудівній та металургійній галузях промисловості для виконання операцій різання, брикетування, кування, штампування. На відміну від обладнання для вибухової та електрогідравлічної обробки у цих машинах діяння на предмет обробки найчастіше всього здійснюється ударом твердого тіла (бойка, ножа, штампа). Особливо ефективним виявилось використання ІМ у лініях машин безперервного лиття заготовок (МБЛЗ) для розрізання їх на міряні частини та для брикетування стальної та кольорової стружки. ІМ є вітчизняним винаходом і запатентовані у багатьох країнах.

Зв'язок роботи з науковими програмами. Незважаючи на ряд виконаних досліджень та дослідно-конструкторських розробок, ІМ недостатньо вивчені, особливо їх енергопривід. Це стосується, зокрема, удосконалення методів розрахунку енергоприводів ІМ як одного з основних елементів, а також оптимізації енергосилових та інших параметрів у відповідності з призначенням машини. Цю роботу присвячено вирішенню означених задач у зв'язку з виконанням завдання 06.Н1 програми 0.16.03 ДКНТ СРСР від 12. 12. 1980 р. “Дослідити термодинамічний цикл, енергетичний і тепловий баланс приводів высокошвидкісних машин імпульсного різання металу, брикетування стружки та видати методичні матеріали для розробки та освоєння обладнання з енергією до 3000 кДж”, завдання 09. 03Т програми 0. 72. 06. 03 ДКНТ СРСР від 16. 11. 1985 р. “Створити і освоїти процес та обладнання імпульсного пакетування стальної стружки з масою пакета 200 кг”, а також у відповідності з програмами 5. 42. 02/054-92 ДКНТ України “Створення наукових засад, технологій і автоматизованих комплексів машин імпульсного різання у лініях машин безперервного лиття заготовок і прокатних станів” і Міністерства освіти України щодо розробки технологічних процесів та обладнання імпульсної металообробки. Викладене вище підтверджує актуальність теми дисертації та розглянутих у ній проблем, а також указує на прямий зв'язок з загальнодержавними програмами.

Мета роботи - розробка наукових основ проектування теплових енергоприводів для вирішення важливої народногосподарської проблеми створення ресурсозберігаючих машин з газоімпульсним приводом для здійснення технологічних процесів різання холодного та гарячого прокату, брикетування стружки, штампування та інших процесів обробки металів тиском.

Для досягнення цієї мети у роботі вирішено такі задачі:

1. На основі вивчення умов роботи дослідних зразків ІМ для різання гарячих зливків у МБЛЗ і холодного прокату на міряні заготовки, брикетування стружки та гарячого штампування встановлено вимоги до енергоприводів таких машин. У результаті порівняння робочих процесів у поршневих двигунах внутрішнього згоряння та ІМ для обробки металів тиском виявлено істотні особливості процесів в енергоприводах ІМ. Обгрунтовано напрямки та методи досліджень.

2. Досліджено робочий хід в енергоприводах ІМ. Встановлено залежності швидкості руху робочих частин (штока, корпуса, клапана запірного пристрою) та ККД процесу від конструктивних і керованих параметрів (зазорів, тиску газу у камері, витрачання, швидкості відкриття клапанів). Розроблено дескриптивну математичну модель цього процесу.

3. Визначено критерії подібності енергоприводів ІМ, встановлено їх пріоритети та раціональні діапазони вибору, синтезовано оптимізаційну модель енергоприводу.

4. Експериментально досліджено процес горіння паливної суміші у камерах згоряння ІМ. Встановлено залежності термодинамічних величин від форми, об'єму камери згоряння та тиску паливної суміші. Розроблено шляхи інтенсифікації процесу горіння за допомогою різних методів підпалювання та удосконалення конструкції приводу для різних технологічних процесів.

5. Досліджено процес наповнювання паливною сумішшю камер згоряння ІМ і розроблено математичну модель цього процесу, яка враховує теплообмін суміші зі стінками камери. Одержано експериментальне підтвердження цієї моделі.

6. Розроблено наукові основи типового проектування енергоприводів ІМ, які дозволили спроектувати ряд машин для різання стальних зливків у гарячому та холодному станах, брикетування стружки та здійснення ряду інших технологічних процесів обробки металів тиском. Досліджено їх експлуатаційні характеристики. Одержані результати підтверджують проектні показники.

7. На основі одержаних даних розроблено нові схемні рішення енергоприводів ІМ, які дозволяють модернізувати існуючі паровітряні ковальські молоти з метою розширити їх технологічні можливості та істотно збільшити ККД, реалізувати процеси гарячого листового штампування, а також ущільнювання піщаних сумішей та ін.

8. Розроблено та до цього часу використовується у дослідно-промислових умовах ряд ІМ. Визначено їх експлуатаційні характеристики, які у значній мірі збігаються з розрахунковими. На основі їх оцінки визначено перспективи розширення сфери застосування розроблених енергоприводів ІМ. Здійснено техніко-економічну оцінку ефективності використання розробки, яка дозволяє зробити висновок про можливість істотного зниження ресурсоспоживання у технологічних процесах, що реалізуються за допомогою ІМ.

Наукова новизна дисертації полягає у розробці наукових основ проектування енергоприводів ІМ, які забезпечують істотне ресурсозбереження у технологічних процесах різання металів у гарячому та холодному станах, а також інших процесах обробки тиском.

У межах концептуального вирішення проблеми одержано нові наукові результати:

розроблено основи теорії енергоприводів ІМ для обробки металів тиском з урахуванням роз'єднання камери згоряння та циліндра розширення, а також маси робочого тіла в них;

синтезовано математичні моделі основних процесів в енергоприводах ІМ з камерами згоряння, що обладнані запірним пристроєм, а також процесу наповнювання таких камер паливною сумішшю з урахуванням теплообміну між компонентами суміші та стінками камери згоряння;

встановлено критерії подібності енергоприводів ІМ, які враховують співвідношення геометричних розмірів і мас елементів енергоприводу та параметри паливної суміші, а також умови моделювання енергоприводів, що дозволяють визначити раціональні значення їх геометричних та інших параметрів;

визначено раціональні співвідношення геометричних розмірів камери згоряння, циліндра розширення, запірного пристрою та параметрів паливної суміші і на цій основі розроблено методику проектування енергоприводів з необхідними енергією та послідовністю робочих імпульсів.

Особистий внесок автора полягає:

у розробці дескриптивної моделі енергоприводу ІМ;

синтезі оптимальних моделей, заснованих на критеріях подібності робочого процесу та наповнювання камери згоряння паливною сумішшю, а також розробці способів та пристроїв для інтенсифікації процесів запалювання та згоряння;

розробці методик проведення експериментальних досліджень, проектуванні енергоприводів та дослідно-промисловому опрацюванні різних технологічних пристроїв;

створенні нових технологічних рішень схем енергоприводів ІМ, їх вузлів та низки технологічних процесів.

Практична значущість результатів досліджень полягає у створенні та впровадженні у виробництво ІМ для безвідходного різання металу та реалізації інших енергозберігаючих технологій. У межах цього:

розроблено та впроваджено у виробництво нові конструкції енергоприводів ІМ для безвідходного різання металу у холодному та гарячому станах, брикетування стружки з чорних і кольорових сплавів;

знайдено нові конструктивні рішення при модернізації існуючих і створенні нових високоефективних машин для різання, кування, штампування і утилізації відходів виробництва, а також машин особливо великих енергій для різання слябів (блюмів) у лініях МБЛЗ;

розроблено методики експериментальних досліджень процесів наповнювання паливною сумішшю і її горіння у камерах згоряння ІМ, а також їх робочого ходу. Методики засновано на використанні сучасного обладнання для реєстрації параметрів, що швидко змінюються, оригінальних датчиків та обробки результатів на ЕОМ.

Визначеність одержаних результатів підтверджено використанням сучасного математичного апарата наукових досліджень, експериментами та практичними результатами, одержаними в процесі впровадження у дослідно-промислове виробництво, а також порівнянням з відомими теоретичними рішеннями.

Апробація роботи. Основні наукові та прикладні результати було докладено та обговорено на всесоюзних науково-технічних конференціях “Дослідження імпульсних джерел енергії у промисловості” в Харкові у 1985-1990р.р.; всесоюзній науково-технічній конференції “Удосконалення ковальсько-штампувального обладнання ударної дії та створення комплексів гарячого штампування” в Іжевську, 1982 р.; науково-технічній конференції “Високошвидкісне об'ємне штампування” у Новосибірську, 1983 р., всесоюзній науково-технічній конференції ”Удосконалення ковальсько-штампувального обладнання ударної дії” у Запоріжжі, 1985 р.; всесоюзній науково-технічній конференції “Пневматичні системи” у Тулі, 1986 р.; науково-технічному семінарі “Прогресивні технологічні процеси, обладнання та засоби автоматизації листового та гарячого обємного штампування” у Москві, 1991р., науково-технічних конференціях професорсько-викладацького складу, наукових працівників та аспірантів Харківського авіаційного інституту ім. М. Є. Жуковського 1980-1992 рр.; науково-технічних семінарах кафедри “Технологія літакобудування” Харківського авіаційного інституту ім. М. Є Жуковського 1980-1996 рр.; науково-технічній конференції Карачаєво-Черкеського технологічного інституту, 1997р.; загальноукраїнській науково-технічній конференції “Перспективи технологій та обладнання обробки тиском у машинобудуванні та металургії”, Краматорськ, 2000 р.

Реалізація роботи. Результати роботи використано при розробці та модернізації машин імпульсного брикетування, різання сталевих заготовок. Машини впроваджено на заводах: Лієпайському металургійному “Сарканайс Металургс”, Волгоградському тракторному, Бєжицькому сталеливарному, Новокраматорському машинобудівному, Руставському та Молдавському металургійних.

Публікації. Основний зміст роботи викладено у 19 статтях, у тому числі - 6 без співавторів. На розробки, які виконано у процесі роботи, одержано 32 авторських свідоцтва.

Структура та об'єм роботи. Дисертація складається з вступу, семи розділів, висновку, списку літератури. Зміст викладено на 300 сторінках машинописного тексту, включаючи 145 рисунків, 23 таблиці і список використаних джерел з 148 найменувань.

Основний зміст роботи

У вступі обгрунтовано актуальність роботи, показано зв'язки розробленої теми з державними програмами, сформульовано мету та задачі дослідження, викладено сутність нових наукових результатів та їх практичну значущість, а також описано апробацію матеріалів дисертації та реалізацію результатів.

Визначено великий внесок у розвиток теорії та практики імпульсних процесів металообробки Ю. М. Алексєєва, О. Д. Антоненкова, К. М. Богоявленського, В. К. Борисевича, А. І. Гороховича, А. А. Дерибаса, А. І. Зіміна, В. Г. Кононенка, Г. П. Кузнєцова, Р. В. Піхтовнікова, Є. О. Попова, О. В. Попова, С. М. Поляка та ін.

У першому розділі наведено короткий огляд конструкцій та технологічних процесів, які реалізуються за їх допомогою. Показано, що у першу чергу знайшли застосування машини імпульсного різання (МІР), як найбільш затребувані при різанні гарячого металу в установках МБЛЗ, брикетування стружки. У таких машинах робочий орган розганяється під дією продуктів згоряння, що розширюються, а технологічне зусилля прикладається до предмету обробки ударом твердого тіла, яким може бути бойок, штамп, ніж або інший інструмент.

Показано переваги цих машин при операціях розділяння заготовок з гарячого або холодного металу, упакування стружки з чорних і кольорових металів.

При огляді теоретичної бази робіт щодо створення ІМ показано, що основні дослідження було спрямовано на визначення необхідних технологічних зусиль і форми інструментів, а також застосування теорії поршневих двигунів внутрішнього згоряння для розрахунку енергоприводу ІМ.

Показано, що енергопривід ІМ значно відрізняється від традиційних поршневих двигунів як конструктивно, так і за принципом дії. Основна конструктивна відміна полягає у наявності в енергоприводі ІМ запірного пристрою, який забезпечує аперіодичність і можливість реалізації специфічного циклу, а також у розєднанні камери згоряння та циліндра розширення. Зроблено висновок про те, що ці принципові відміни робочого процесу повинні бути відображені у методиках розрахунку.

Проаналізовано проблеми енерго- та ресурсозбереження при розділянні металу на міряні заготовки у різноманітних технологічних процесах металургії та машинобудування. Виявлено об'єми витрат металу і енергії при цих переробках і пов'язані з цим витрати народного господарства, у тому числі на усунення екологічного забруднення. Безповоротні втрати металу при вогневому різанні зливків у лініях МБЛЗ слябових перерізів можуть складати 1…2 % від маси плавки, а дрібних і середніх перерізів - 0,55…0,9%. Велика кількість утворюваних газоподібних продуктів горіння та окалини істотно погіршують екологічне оточення в зоні МБЛЗ. Застосування машин імпульсного різання виключає ці втрати й підвищує вихід придатного металу. Так, в умовах металургійного заводу “Сарканайс Металургс” це забезпечило зростання випуску металу майже на 10000 т/рік, ліквідувало необхідність використання кисню у кількості 168000 м3/рік, природного газу - 30 000 м3/рік.

Іншим джерелом економії металу є зменшення втрат металевої стружки при її зберіганні, транспортуванні та переплавці. Швидкість окиснення непідготовленої стружки з алюмінію складає 3%, зі сталі - 15%, а брикетованої стальної стружки - не більше ніж 1,5% на рік. При транспортуванні губиться до 10-15% стружки, надмірно знижується ефективність транспортних засобів за рахунок малої об'ємної щільності стружки. При переплавлянні такої стружки вигар металу на 2-3% більше ніж при переробці брикетів. Тобто брикетування стружки дозволяє на 20-25% зменшити її втрати та заощадити велику кількість металу.

У висновку обгрунтовано вибір напрямку досліджень, спрямованих на досягнення поставленої мети, наведено методи вирішення таких задач у сучасних умовах. Враховуючи викладене вище, сформульовано мету та задачі досліджень.

У другому розділі виконано дослідження робочого ходу енергоприводів ІМ. Їх узагальнені схеми показано на рис. 1.

Більшість ІМ працює так. Паливна суміш (горючий газ і повітря) подають під тиском до камери згоряння 4. Запірний пристрій 5 герметизує порожнину камери. Після підпалювання суміші та її згоряння клапан запірного пристрою відкривається і гарячий газ під тиском виходить до циліндра розширення 3.

Під тиском газу шток 1 розганяється в осьовому напрямку і у визначений момент діє на предмет обробки (на рис. 1 не показано).

Швидкість газу у камері згоряння та циліндрі розширення сумірна зі швидкістю штока, яка становить 10…30 м/с, тобто суттєво менша швидкості звуку в газі. Тому кінетичною енергією руху газу в камері згоряння та циліндрі розширення можна знехтувати. У процесі розгону шток і корпус набувають певної кінетичної енергії і тільки наприкінці ходу діють на предмет обробки, витрачаючи заощаджену енергію. Тому реакцію предмета обробки на процес можна не враховувати.

Прийнято спрощену епюру розподілення тиску в зоні перепускного отвору камери згоряння. Вважають, що тиск газу на диференціальну і ущільнювальну поверхні клапана дорівнює тиску в камері згоряння, а тиск на торець клапана - тиску в циліндрі розширення. Об'єм, що звільнюється за цими поверхнями, приєднується до об'єму камери згоряння, а об'єм, що звільнюється за торцем клапана, - до об'єму циліндра розширення.

Крім названих припущень прийнято ще такі:

газ, що використовується як робоче тіло, є ідеальним;

газ у камері згоряння та циліндрі розширення знаходиться у спокої.

Для опису робочого ходу мають бути записані рівняння динаміки для штока, корпуса та клапана:

; (1)

(2)

; (3)

; (4)

; (5)

, (6)

де W1, W2, W3 - швидкості штока, корпуса та клапана відповідно; Х1, Х2, Х3 - переміщення цих же елементів; m1, m2, m3 - маси цих елементів; f1 - площина прохідного перерізу перепускного отвору камери згоряння; f2 - площина поперечного перерізу циліндра розширення; fg - площина диференціальної поверхні клапана; fУ - площина проекції ущільнювальної поверхні; fР - площина торцевої поверхні клапана, на яку діє рідина; fП - площина торцевої поверхні клапана, на яку діє повітря з порожнини 8; Р1 - тиск газу в камері згоряння; Р2 - тиск газу в циліндрі розширення; Ра - тиск оточуючої сфери; РП - тиск повітря у порожнині 8; РР - тиск рідини у порожнині 1; F1 - сила тертя між штоком і корпусом; F2 - сила тертя між корпусом і зовнішньою його опорою; FП - зусилля, що розвиває пристрій пружної підвіски корпуса; g - прискорення вільного падіння; j - коефіцієнт, що враховує розташування поздовжньої осі ІМ.

Параметри газу у камері згоряння та циліндрі розширення при робочому ході визначають безперервним змінюванням маси газу, і це змінювання підлягає закономірностям термодинаміки тіла змінної маси:

; (7)

; (8)

, (9)

де V - об'єм робочого простору; P і Т - тиск і температура газу; Q - кількість теплоти, підведеної до газу; GП , GВ - секундні приплив і витрата газу; ПП, ПВ -питомі приплив і витрата енергії; k - показник адіабати; n -- показник термодинамічного процесу; L - робота, що здійснюється газом; U - питома внутрішня енергія.

При використанні рівнянь (7-9) припущено, що газ до камери згоряння не надходить, а витікає з неї до циліндра розширення. Його питома енергія визначається питомою ентальпією газу в камері, а питома енергія газу, що витікає з циліндра, дорівнює питомій ентальпії газу в циліндрі.

Робота, яку виконує газ у робочому об'ємі приводу, дорівнює роботі переміщення штока та клапана запірного пристрою відносно корпуса. При цьому рідина та повітря з порожнин запірного пристрою витискується відповідно до акумулятора 9 і ресивера 13 (див. рис. 1).

На основі цих міркувань з рівняння (7) одержано формули, що описують змінення тиску в камері згоряння Р1, циліндрі розширення Р2 та повітряній порожнині запірного пристрою Р3:

(10)

; (11)

(12)

(13)

; (14)

де VК -об'єм камери згоряння; V0 -початковий, або “мертвий”, об'єм циліндра розширення; Т1, Т2 - температури газу в камері згоряння та циліндрі розширення; ТП - температура у повітряній порожнині запірного пристрою; RГ, RП - газові сталі продуктів згоряння та повітря; G, GВ - секундні витрати газу з камери згоряння та циліндра розширення; S, W - переміщення та швидкість штока відносно корпуса; SК, WК - переміщення та швидкість клапана відносно корпуса; hП - початкова висота повітряної порожнини запірного пристрою.

Температури Т1, Т2, ТП можна визначити, використовуючи рівняння (7), (8). Коефіцієнтом і у рівняннях (15), (16) враховують розташування запірного пристрою. При осьовому розташуванні (рис. 1, а) i=1, а при боковому (рис. 1, б) - і=0.

Вважаючи рідину нестисливою та враховуючи закон збереження енергії, тиск рідини у порожнині запірного пристрою визначено залежністю

(17)

де Рак -тиск газу в гідроакумуляторі; Р -щільність рідини; Т - коефіцієнт гідравлічного опору трубопроводу; fT, lT - площина прохідного перерізу та довжина трубопроводу; fa, ma - площина поперечного перерізу та маса поршня гідроакумулятора.

Секундні витрати газу G, GВ визначають за відомою з аеродинаміки формулою для витікання газу з отвору.

У процесі робочого ходу відбуваються догоряння паливної суміші та тепловіддача у стінки камери та циліндра, тому

; (18)

, (19)

де qд1 , qд2 - кількість теплоти, що виділяється за одну секунду внаслідок догоряння палива у камері та циліндрі відповідно; - кількість теплоти, що відводиться за одну секунду в стінки камери та циліндра.

До моменту відкриття запірного пристрою згоряє більше 80 % палива, тому де Qc - кількість теплоти, що виділяється при повному згорянні паливної суміші. Величини qд1 , qд2 можна визначити, використовуючи результати експериментів щодо згоряння паливних сумішей у камерах ІМ. Система рівнянь (1-6), (8-19) у сукупності являє собою дескриптивну математичну модель процесів робочого ходу енергоприводу ІМ. Ці рівняння дозволяють визначити швидкості та переміщення штока та корпуса ІМ, клапана запірного пристрою, а також тиск і температури газу в камері, циліндрі та порожнинах запірного пристрою.

Здійснено оцінку максимальної швидкості клапана запірного пристрою та часу його відкриття. На рис. 2 показано графіки залежності цієї швидкості від геометричних характеристик запірного пристрою. При цьому прийнято , . У результаті аналізу цих залежностей встановлено, що відношення площини торця клапана, на яку діє запірний тиск рідини, до площини перепускного отвору камери згоряння доцільно прийняти не більше 0,5.

Одержано критерії подібності енергоприводів ІМ, що визначають ідентичність процесів, які відбуваються у моделі або прототипі і у розроблюваній конструкції. Вони дозволяють зв'язати параметри моделі з параметрами устаткування, що проектується. До основних критеріїв подібності слід віднести:

,

де mГ - початкова маса газу в камері згоряння; mn - приведена маса робочого штока, яку визначають як mn = m1m2 / (m1 + m2); mР - маса рідини, що витискується з порожнини запірного пристрою при відкритті його клапана; mр.m. - маса рідини, що знаходиться у трубопроводі (див. рис. 1); - коефіцієнт витрачання перепускного отвору камери згоряння; Рр - тиск повітря у ресивері.

Критерій N є енергетичною характеристикою приводу. Якщо відомо значення N, можна визначити величину ефективної енергії Ее, яку може виділити привід, На рис. 3 показано графіки залежності N від степеня розширення газу Розглянуто також залежності енергосилових характеристик приводу від інших його параметрів. Аналіз цих залежностей дозволив встановити діапазони оптимальних значень геометричних та інших параметрів приводів ІМ.

У третьому розділі експериментально перевірено ряд припущень, які прийнято при теоретичному аналізі. Було визначено закономірності змінювання параметрів робочого процесу, впливу на енергосилові характеристики параметрів паливної суміші, розміру перепускного отвору камери згоряння та інших конструктивних параметрів.

Використано комплексний підхід до проведення експериментів, при якому одночасно визначали:

параметри тиску тензометричними датчиками тиску, встановленими у камері згоряння, циліндрі розширення та підклапанній порожнині;

переміщення штока та клапана відносно корпуса потенціометричними датчиками переміщення та іншими способами;

початкові параметри паливної суміші зразковими манометрами.

Експерименти проведено на двох експериментальних стендах, що відрізняються різною конструкцією механізмів запалювання, об'ємами камер згоряння, широтою діапазону енергії, яку може бути виділено.

Часові залежності було зафіксовано електронними та світлопроменевими (шлейфними) осцилографами. Результати експериментів оброблено за допомогою відомих методик щодо обробки даних.

Отже було встановлено:

залежності тиску газу в камері згоряння та циліндрі розширення від степеня розширення та ходу штока;

залежності тиску газу за часом від тиску паливної суміші, геометричних розмірів клапана та ряду інших параметрів;

залежності тепловтрат і витоку газу у кільцевому зазорі, які дозволили уточнити математичну модель процесу.

Підтверджено характер запропонованих критеріальних залежностей, одержано коефіцієнти, що їх уточнюють.

Порівняння експериментальних і теоретичних залежностей показало їх збіг за різними параметрами у межах 7…10 %.

Для більш точної перевірки розрахункових залежностей тиску в камері згоряння та циліндрі розширення від конструкції запірного пристрою (пневматичного та гідравлічного) було виконано експериментальне випробування дослідно-промислової установки для імпульсного брикетування стружки МІБ-300С. Одержані залежності підтвердили адекватність прийнятої математичної моделі реальним процесам. Розроблені методики досліджень та експериментальне оснащення показали свою працездатність.

Четвертий розділ присвячено опису досліджень процесу згоряння в енергоприводах ІМ, особливістю камер згоряння яких є їх великий об'єм (0,01…0,221 м3) і складна геометрична форма.

Перед дослідженням було поставлено задачі визначення степеня підвищення тиску та коефіцієнта виділення тепла, тривалості процесу згоряння, закону вигоряння паливної суміші, а також розробки способів інтенсифікації процесу згоряння. Форми досліджених камер, їх об'єми V та площини S внутрішніх поверхонь показано на рис. 4.

При виконанні експериментів вимірювали тиск і температуру в камері за допомогою тензометричних датчиків тиску та термісторних датчиків температури. Реєстрацію сигналів здійснювали світлопроменевим осцилографом.У результаті досліджень встановлено залежності змінювання тиску в камерах згоряння різної форми, що дозволило визначити степінь підвищення тиску внаслідок згоряння палива у вигляді:

, (20)

де Рz - максимальний тиск продуктів згоряння; Ра -тиск навколишнього середовища; Рс -тиск паливної суміші.

Коефіцієнт виділення тепла ?z можна обчислювати з використанням рівняння теплового балансу процесу згоряння

, (21)

де М1 - кількість молей паливної суміші; Нu - нижча теплота згоряння; ? - коефіцієнт молекулярної зміни; Сvz, Сvс - середні молекулярні теплоємкості при сталому об'ємі продуктів згоряння та паливної суміші відповідно; tZ, tC - максимальна температура продуктів згоряння та паливної суміші відповідно, С.

Одержані результати дозволяють зробити висновок, що степінь підвищення тиску та коефіцієнт виділення тепла у камерах згоряння з центральним тілом (тороподібні камери) нижчі, ніж у циліндричних камерах, що пов'язано з нагріванням центрального тіла. Зі збільшенням відношення об'єму камери до площини її внутрішньої поверхні вагомість тепловіддачі у загальному енергобалансі процесу горіння знижується. Тому при проектуванні слід намагатись одержати максимум відношення об'єм-поверхня. Дано рекомендації щодо вибору коефіцієнта виділення тепла та інших параметрів, що необхідні під час проектування.

Тривалість процесу згоряння істотно залежить від об'єму та форми камери, а саме цей параметр у значній мірі визначає максимум тиску. У тороподібних камерах тривалість згоряння значно довша, що пов'язано з подовженням шляху, що проходить фронт полум'я. Зроблено висновок про доцільність підвищення тиску паливної суміші та забезпечення продувки камери згоряння при малих її тисках.

На основі аналізу результатів експерименту зроблено висновок про можливість використання рівняння І. Вібе для опису закону вигоряння паливної суміші у камерах ІМ та визначено величину показника характеру згоряння палива. Тому тривалість процесу згоряння до моменту відкриття запірного пристрою можна записати у вигляді

,

де t0,85 -час згоряння 85 % паливної суміші; z -час повного згоряння; m - показник характеру згоряння.

Одержані експериментальні залежності використовують для розрахунку параметрів робочого ходу приводу.

Експериментально досліджено процеси згоряння при факельному та електроіскровому способах запалювання паливної суміші. Основні результати цієї серії експериментів показано на рис. 5.

Зроблено висновок про переваги факельного способу запалювання, особливо в умовах камер згоряння великого об'єму та складної форми.

Розроблено два типи пристроїв для запалювання у камерах ІМ, які дозволяють у 2,0…2,5 рази скоротити тривалість процесу горіння, що дає можливість значно знизити теплове навантаження на деталі та вузли камер згоряння.

Керуючи часом згоряння, можна міняти характер навантаження об'єкта обробки, що буває необхідним для різних технологічних процесів

У п'ятому розділі викладено результати дослідження процесу наповнювання камер згоряння ІМ. Проаналізовано типові схеми наповнювання, які містять ресивер, систему трубопроводів та клапанів, що з'єднує його з камерою згоряння. Наповнювання камери відбувається послідовно: спочатку горючим газом, а потім стислим повітрям, які у сукупності утворюють паливну суміш. Математичний опис процесу виконано при таких припущеннях: газ є ідеальним, теплоємність, температура стінок ресивера та камери згоряння - сталими, течія газу в трубопроводах і каналах - енергоізольованою, а вплив трубопроводів і клапанів враховано коефіцієнтами витрат.

Змінення параметрів газу в камері згоряння у процесі її наповнювання відповідає закономірностям термодинаміки тіла змінної маси. Використовуючи рівняння (7)-(9), закони змінення тиску та температури газу в камері згоряння можна записати у такому вигляді:

(22)

(23)

де PР, TР -тиск і температура газу в ресивері; fК, TС.К. - площа поверхні та температура стінок камери; fК.В., мК.В. - площа прохідного перерізу та коефіцієнт витрати впускного клапана; ?к - усереднений коефіцієнт тепловіддачі поверхні камери; gР - функція, яка залежить від режиму витікання газу з ресивера.

Вирішення цих рівнянь за відповідних початкових умов дозволяє визначити закони змінювання тиску та температури паливної суміші. У результаті аналізу рівнянь (22), (23) встановлено критерії подібності процесу наповнювання камери згоряння, основні з яких

, ,

де Р0, Т0 -початкові значення тиску та температури у ресивері.

Виконано аналіз залежності параметрів процесу наповнювання камери згоряння від його критеріїв подібності. На рис. 6 показано графіки змінення тиску та температури у камері.

На графіках тиск, температуру та час виражено у безрозмірному вигляді:

де tН - характерний час процесу наповнювання.

З графіків видно, що у процесі наповнювання камери температура паливної суміші підвищується. При цьому прирощення температури, у першу чергу, залежить від температури стінок камери та тиску в ресивері.

У розділі також описано методику проведення експериментальних досліджень процесу наповнювання камер ІМ, застосоване обладнання, засоби вимірювань і реєстрації. Одержано діапазон вибору коефіцієнтів витрат і тепловіддачі. Експериментальна перевірка розрахункових залежностей процесу наповнювання на промислових установках свідчить про їх достатню точність (розбіжність значень близько 2 %).

У шостому розділі описано методики проектувального розрахунку енергоприводів ІМ, їх розробки, врахування особливостей експлуатації, а також результати дослідно-промислової експлуатації.

Розроблену методику використано при проектуванні та модернізації енергоприводів таких машин:

імпульсного різання, що працюють на металургійних заводах “Сарканайс Металургс” (м. Лієпая, Латвія), Молдавському (м. Рибниця, ПМР) та Руставському (м. Руставі, Грузія).

імпульсного різання МІР-100Х для одержання точних заготовок методом швидкісного зсувного різання прокату круглого та квадратного перерізів у холодному стані. Цю машину встановлено на Волгоградському тракторному заводі;

імпульсного брикетування МІБ-500 для одержання круглих брикетів масою до 200 кг з стальної стружки, яку змонтовано на Ново-Краматорському машинобудівному заводі;

імпульсного брикетування Т4136С, призначеної для брикетування стружки з сталі та кольорових металів. Цю машину встановлено у копровому цеху Бєжицького сталеливарного заводу.

Всі експлуатаційні характеристики машин відповідають розрахунковим.

Використання цих машин дозволяє:

зменшити відходи при розділенні металу на 0,6…1 % у порівнянні з традиційними способами;

поліпшити геометричну форму та підвищити точність відокремлюваних частин зливків або прокату, що у цілому скорочує витрати металу при виготовленні заготовок;

одержувати пресовані брикети з стружки, що зменшує її втрати при зберіганні, транспортуванні та переплавлянні й скорочує витрати енергії на переробку одиниці її маси.

Аналіз умов експлуатації цих машин і вимог виробництва показує напрямок подальшого поліпшення їх службових характеристик.

Циклічність роботи існуючих ІМ складає 10…15 циклів на хвилину. Для вирішення деяких технологічних задач цього буває недостатньо, зокрема, при різанні заготовок у лініях прокатних станів. Запропоновано і обгрунтовано підвищення продуктивності ІМ за рахунок використання зовнішнього сумішоутворення. Вказано шляхи підвищення довговічності приводів ІМ, зокрема, за рахунок створення аеродинамічної тіні у зоні запірного пристрою та зменшення часу контакту клапана з продуктами згоряння, що знижує міру його нагрівання та спрацювання.

Для різання слябів у лініях МБЛЗ потрібно створити ІМ особливо високих енергій, близько 5 МДж і більше. Розроблено схему (рис. 7) та виконано проектувальний розрахунок енергоприводу такої машини. ЇЇ характерною особливістю є використання сляба, що розрізується, як робочого штока, що значно зменшує габарити машини і її приводу. Під дією продуктів згоряння, що знаходяться під високим тиском, корпус машини переміщується вгору, ніж втискується в заготовку.

Знайдено також інші оригінальні технічні рішення, які визнано винаходами щодо конструкції ІМ для обробки металів тиском та їх енергоприводів.

Техніко-економічний аналіз розробки виконано за методикою оцінювання рівня якості. Аналіз підтвердив переваги використання ІМ з тепловим енергоприводом у порівнянні з традиційним обладнанням для різання та брикетування.

У сьомому розділі оцінено перспективи розширення сфери застосування енергоприводу ІМ. Основою таких рішень є те, що енергопривід можна вважати самостійним конструктивним елементом, що може бути реалізовано двома способами. У першому випадку деформування заготовки, яку треба обробити, відбувається ударом твердого інструмента, у другому - дією на неї газом або іншим еластичним середовищем.

Обгрунтовано застосування газоімпульсного енергоприводу для модернізації приводів пароповітряних молотів. Передумовою такого рішення є дуже низький ККД пароповітряних молотів і визначені цим достатньо вузькі їх технологічні можливості при обробці сучасних високоміцних матеріалів. Розроблено два варіанти модернізації приводу, які не змінюють схему керування молотом. Порівняльний розрахунок службових характеристик молотів на прикладі широко розповсюдженої моделі ПМШ 0,63Т показує, що термодинамічний ККД молота підвищується у 5…6 разів, а енергія удару зростає на 40…60 %.

Досліджено можливість використання газоімпульсного приводу для листового штампування гарячим газом під високим тиском безпосередньо на поверхню заготовки. Нагрівання заготовки при деформуванні сприяє більш рівномірному розподіленню деформацій і зниженню можливості їх локалізації.

У результаті експериментів, проведених на розробленому обладнанні, одержано позитивні дані, що дозволили розробити технологічні процеси штампування днищ і деталей коробчастої форми розміром 420х380х160 мм із сталі 12Х18Н10Т товщиною до двох міліметрів.

Використання особливостей термоімпульсного навантаження дозволяє одержати високі степені витягання у кутах деталей (1,92…2,05) і більш рівномірне розподілення деформацій стоншування по всій поверхні деталі.

Запропоновано схемне рішення машин для листового штампування і ущільнення піщаних ливарних форм.

Загальні висновки

У дисертації вирішено важливу народногосподарську проблему створення нових ресурсозберігаючих машин з імпульсним приводом для здійснення технологічних процесів різання холодного та гарячого прокату, брикетування та пакетування металевих відходів виробництва, штампування та інших процесів обробки металів тиском.

Основними науковими та практичними результатами проведеного комплексу робіт є:

1. На основі розглянутого досвіду застосування ІМ для різання холодного та гарячого металу, пресування стружки з різних металів встановлено можливість істотного енерго- та ресурсозбереження за рахунок зменшення або ліквідації втрат металу при операціях розділення та переробки. Аналіз конструкцій таких машин показує, що основним елементом, який визначає їх експлуатаційні характеристики, є енергопривід, а надійні методики його розрахунків при проектуванні відсутні.

2. Розроблено і обгрунтовано дескриптивну модель робочого ходу енергоприводу ІМ. Визначено критерії подібності і умови моделювання приводів. Використання оптимізаційної моделі, заснованої на критеріях подібності, дозволяє встановити у загальному вигляді залежності енергосилових характеристик приводів від їх геометричних та інших параметрів, включаючи також параметри паливної суміші та запірного пристрою. При цьому встановлено, що енергосилові характеристики приводів із зовнішнім запиранням визначаються, в основному, величиною степеню розширення газу та значеннями декількох критеріїв подібності. Визначено оптимальну зону змінювання цих величин, що дозволило оптимізувати геометричні параметри приводів з метою підвищення їх ККД.

3. Експериментальні дослідження робочого ходу приводу дозволили підтвердити критеріальні залежності, уточнити за допомогою поправкових коефіцієнтів розрахункові залежності змінювання енергосилових параметрів. Відпрацьовано ряд конструктивних рішень, які дозволили збільшити ефективну енергію приводу на 25…30 %.

4. Досліджено процес згоряння паливної суміші та визначено залежності основних термодинамічних величин від геометричних і конструктивних параметрів камер згоряння. Розроблено оригінальні пристрої для запалювання суміші у камерах ІМ. Вони дозволяють керувати процесом згоряння і таким чином змінювати характер прикладеного навантаження відповідно потребам технологічного процесу.

5. Синтезовано математичну модель процесу наповнювання паливною сумішшю камери згоряння енергоприводу ІМ, враховуючи теплообмін з оточуючим середовищем. Для підвищення міри адекватності моделі коефіцієнти витрат і теплообміну визначено експериментально. Встановлено характер впливу конструктивних, термодинамічних та інших факторів на процес наповнювання. Одержані результати узагальнено у вигляді критеріальних залежностей, які перевірено експериментально. Модель дозволяє розраховувати процес наповнювання камери згоряння різноманітними горючими газами та надає можливість оптимального проектування системи паливо подавання.

6. На основі одержаної методики проектування розроблено енергоприводи для ІМ МІР 150, МІР-16, МІР-100Х, МИП-500,ТА136С, призначених для різання заготовок і прокату в холодному та гарячому станах, а також брикетування стружки зі сталі та кольорових металів. Машини успішно працюють у промислових умовах.

Виявлено особливості їх експлуатації, забезпечено виконання вимог щодо керованості енергією та циклічністю роботи. Розроблено та використано при проектуванні машин шляхи та методи підвищення їх службових характеристик.

Розроблено проект енергоприводу ІМ з ефективною енергією до 5 МДж, яку призначено для різання великих слябів у лініях МБЛЗ, а також виконання інших операцій ОМТ.

7. Обгрунтування та розробка проектів модернізації існуючого ковальського обладнання, зокрема пароповітряних молотів, дозволяють збільшити його економічність, розширити технологічні можливості, а також створити ряд нових технологічних процесів з безпосередньою дією гарячого газу на заготовку, наприклад, для штампування листового матеріалу.

Основні наукові результати викладено у таких наукових працях

1. Боташев А. Ю. Исследование процесса сгорания газообразного топлива в камерах ИМ// Импульсная обработка металлов давлением. - Харьков, 1997. C. 153-157.

2. Боташев А. Ю. Исследование процесса газоимпульсной штамповки// Кузнечно-штамповочное производство, 1999, №11.С. 23-25.

3. Боташев А. Ю. К расчету гидравлических амортизаторов ИМ// Высокоскоростная обработка материалов давлением. Харьков, 1982. Вып. 8. С. 101-106.

4. Боташев А. Ю. Методика теплового расчета привода ИМ для обработки металлов давлением// Обработка металлов давлением в машиностроении. Харьков, 1987. Вып. №23. С. 55-62.

5. Боташев А. Ю. Исследование динамических и кинематических характеристик паровоздушных молотов в режиме их работы на газовом энергоносителе// Авиационно-космическая техника и технология. Харьков, 1999. Вып. 14. С. 154-157.

6. Боташев А. Ю. Комнатный И. П., Семенихин Ю. И. Исследование динамических и кинематических характеристик запирающих устройств ИМ// Высокоскоростная обработка материалов давлением. Харьков, 1982. Вып. 8. С. 84-89.

7. Боташев А. Ю. Комнатный И. П. Термодинамические характеристики рабочего процесса теплового привода ИМ// Высокоскоростная штамповка. Харьков, 1983. C. 105-108.

8. Боташев А. Ю., Семенихин Ю. И. Экспериментальное исследование процесса наполнения камеры сгорания ИМ// Обработка металлов давлением в машиностроении. Харьков, 1985. Вып. 21. С. 71-74.

9. Боташев А. Ю., Обрываева Т. Е., Паршин Ю. В. Экспериментальное исследование процесса сгорания газообразного топлива в замкнутом объеме// Обработка металлов давлением в машиностроении, 1986. Вып. 22. C. 81-86.

10. Боташев А. Ю., Обрываева Т. Е., Паршин Ю. В. Исследование процесса сгорания газообразного топлива в камерах ИМ при факельном зажигании// Обработка металлов давлением в машиностроении. Харьков, 1990. Вып. 26. С. 95-102.

11. Боташев А. Ю., Паршин Ю. В. Газоимпульсная штамповка тонколистовых полых деталей// Листовая и горячая объемная штамповка. М., 1991. С. 44-46.

12. Боташев А. Ю. Определение максимального давления в камерах сгорания импульсных машин для обработки металлов давлением// Удосконалення процесів та обладнання обробки тиском в металургії і машинобудуванні. Краматорськ, 2000. С. 436-439.

13. Кононенко В. Г., Боташев А. Ю. К вопросу моделирования ИМ с внешним запиранием// Высокоскоростная обработка материалов давлением. Харьков, 1975. Вып. 4. С. 24-33.

14. Кононенко В. Г., Боташев А. Ю., Райзман Д. А. Экспериментальное исследование динамики ИМ с внешним запиранием// Высокоскоростная обработка материалов давлением. Харьков, 1978. Вып. 7. С. 103-113.

15. Кононенко В. Г., Боташев А. Ю. Исследование процесса разгона подвижных масс ИМ с внутренним запиранием// Обработка металлов давлением в машиностроении. Харьков, 1980. Вып. 16. С. 70-80.

16. Разработка, испытание и промышленное внедрение технологии и оборудования импульсной резки в прокатном производстве/ С. В. Яценко, С. А. Мазниченко, А. Ю. Боташев и др.// Обработка металлов давлением в машиностроении. Харьков, 1977. Вып. 13. С. 95-98.

17. Экспериментальное исследование термодинамического процесса машин импульсного брикетирования/ А. Ю. Боташев, С. В. Яценко, И. П. Комнатный и др.// Обработка металлов давлением в машиностроении. Харьков, 1984. Вып. 20. С. 75-82.

18. Яценко С. В., Павлов В. В., Боташев А. Ю. Некоторые вопросы совершенствования конструкции, повышение долговечности и эксплуатационной надежности машин импульсной резки горячего проката// Высокоскоростная обработка металлов давлением. Харьков, 1977. Вып. 6. С. 134-140.

19. Боташев А. Ю., Семенихин Ю. И. Исследование динамики обратного хода вертикальных ИМ// Обработка металлов давлением в машиностроении, 1983. Вып. 19, С. 69-74.

20. А. с. СССР 1218548. Устройство для импульсной штамповки/ Кононенко В. Г., Боташев А. Ю. Заявл. 13.07.83.

21. А. с. СССР 1352766. Импульсная машина для резки проката/ Боташев А. Ю., Сумская О. В., Яценко С. В. и др. Заявл. 23.09.85.

22. А. с. СССР 1413798. Импульсная машина/ Боташев А. Ю., Кушнаренко С. Г., Обрываева Т. Е. и др. Заявл. 01.12.86.

Технічні рішення, описані у дисертації, захищено авторськими свідоцтвами СРСР №№ 532193, 544494, 550785, 576705, 611360, 632183, 1027914, 1053389, 1056516, 1075520, 1076303, 1085111, 1111321, 1123159, 1139019, 1167817, 1205396, 1207609, 1210323, 1211947, 1243220, 1327362, 1408623, 1408625, 1621263, 1249771, 1347270, 1408624, 1564834.

Abstract

Botachev A. U. Elaboration of scientific basis for design of heat power drives for pulse machines for metal pressure treatment and their industrial introduction.

Dissertation for the scientific degree of Doctor of Science (Technical), speciality 05. 03. 05 - processes and machines for pressure treatment. State Airspace University named by N. E. Zhukovsky “KhAI”, 2000. Manuscript.

An important scientific and technical problem of creation of new resource-saving machine with gas-impulse power drive for implementation of processes of metal treatment by pressure has been solved. Mathematical model of power drive working stroke, process of combustion chamber fueling has been worked out, similarity parameters of processes, which allows to optimize power drive design, have been elaborated. Scientific basis for design of power drives for pulse machines for cold and hot cutting of slabs, rounds and right sections and for chips consolidation has been elaborated. Different versions for steam-air hammers modernization which allow to push up their efficiency and to widen technological possibilities have been submitted to consideration, a draft of pulse machine for pressure treatment has been worked out.

Key words: power drive, pulse machine, rod, combustion chamber, ignition, pressure, temperature, hot gas, cutting, chips consolidation, design.

Анотація

різання енергопривід пароповітряний молот

Боташев А. Ю. Розробка наукових основ проектування та промислове впровадження теплових энергоприводів імпульсних машин для обробки металів тиском.

Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук за спеціальністю 05.03.05 - процеси та машини обробки тиском, Державний аерокосмічний університет ім М. Є. Жуковського “ХАІ”, 2000 р. Рукопис.

У роботі вирішено важливу науково-технічну проблему створення нових ресурсозберігаючих машин із газоімпульсним энергоприводом для реалізації технологічних процесів обробки металів тиском. Розроблено математичні моделі робочого ходу энергоприводу, процесу наповнення паливною сумішшю камери згоряння, а також критерії подібності процесів, що дозволяють оптимізувати проектування энергоприводів. Розроблено наукові основи проектування энергоприводів ІМ для холодного та гарячого різання слябів і профілей круглого та прямокутного перерізів, а також для брикетування стружки.

Запропоновано варіанти модернізації пароповітряних молотів, що дозволяють підвищити їх ККД і розширити технологічні можливості, та розроблений проект ІМ для обробки матеріалів тиском.

Ключові слова: энергопривід, імпульсна машина (ІМ), шток, камера згоряння, запалювання, тиск, температура, гарячий газ, різання, ущільнення стружки, проектування.

Аннотация

Боташев А. Ю. Разработка научных основ проектирования и промышленное внедрение тепловых энергоприводов импульсных машин для обработки металлов давлением.

Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук по специальности 05.03.05 - процессы и машины обработки давлением, Государственный аэрокосмический университет им Н. Е. Жуковского “ХАИ”, 2000 г. Рукопись.

На основе анализа известных конструкций импульсных машин (ИМ) синтезированы две обобщенные схемы энергоприводов ИМ. Разработана математическая модель их рабочего цикла. Установлены критерии подобия и условия моделирования энергоприводов ИМ. Определены оптимальные соотношения геометрических и других параметров энергопривода, обеспечивающие его компактность и экономичность. Полученные результаты проверены и уточнены экспериментальными исследованиями.

Проведены экспериментальные исследования процесса сгорания газообразной топливной смеси в камерах ИМ. Определены степень повышения давления при сгорании, коэффициент выделения тепла и другие параметры, обеспечивающие выполнение расчета процесса сгорания. Выявлен характер влияния на эти параметры формы и размеров камеры, давления топливной смеси. Предложены способы и устройства для интенсификации процессов поджига и сгорания, способствующие значительному сокращению длительности процесса сгорания.

Теоретически и экспериментально исследован процесс наполнения камеры сгорания ИМ топливной смесью. Разработана математическая модель процесса с учетом теплообмена между топливной смесью и стенками камеры сгорания. Определены критерии подобия процесса наполнения. Установлено, что температура топливной смеси может изменяться в широких пределах и определяется, в основном, двумя критериями.

На базе критериев подобия разработана методика проектирования энергоприводов ИМ, позволяющая прогнозировать характеристики разрабатываемых устройств. Методика использована при разработке энергоприводов ИМ, резки горячего и холодного металла и брикетирования металлической стружки. Приведены схемы и характеристики этих устройств. Выявлены пути дальнейшего совершенствования энергоприводов ИМ. Предложены оригинальные схемные решения энергоприводов ИМ и их агрегатов, признанные изобретениями.

...