Енергозберігаючі рекуперативні системи для випробувань тіл обертання

Размещено на http://www.allbest.ru/

Міністерство освіти і науки України

Технологічний університет поділля

Спеціальність 05.02.02 Машинознавство

Автореферат дисертації

на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Енергозберігаючі рекуперативні системи для випробувань тіл обертання

Мельничук Сергій Володимирович

Хмельницький - 2001



Робота виконана в Житомирському інженерно-технологічному інституті

Науковий керівник - доктор технічних наук, професор Грабар Іван Григорович, завідувач кафедри автомобілів та механіки технічних систем Житомирського інженерно-технологічного інституту

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор Кіницький Ярослав Тимофійович, завідувач кафедри машинознавства Технологічного університету Поділля (м. Хмельницький)

доктор технічних наук, професор Берник Павло Степанович, завідувач кафедри експлуатації і механізації машин Вінницького державного аграрного університету

Провідна установа:

Національний технічний університет України “Київський політехнічний інститут”, кафедра технічної механіки

З дисертацією можна ознайомитися в науковій бібліотеці Технологічного університету Поділля (вул. Кам'янецька, 110/1)

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради доктор технічних наук, професор Калда Г.С.



Актуальність теми. Існує ряд деталей машин та інструментів типу тіл обертання (вентиляторні колеса, диски компресорів та турбін газотурбінних двигунів, відцентрові сепаратори для рідин, колеса культиваторів с/г машини, абразивні круги, дискові фрези та пили для обробки деревини і т.д.), дослідження механічної міцності та працездатності яких вимагає проведення циклічних випробувань в полі відцентрових сил.

Процес натурних випробувань таких конструкцій, що проводиться на базі десятків тисяч циклів, є дорогим, особливо при випробуванні дисків авіаційних газотурбінних двигунів.

Аналіз існуючих конструкцій випробувальних стендів, що створюють циклічний характер навантаження тіл обертання в полі відцентрових сил, показує, що такі системи працюють в не економічному режимі: енергія розігнаного до максимальних обертів диска втрачається на стані його гальмування. Більшість стендів використовує як для розгону, так і для гальмування дисків електричні двигуни постійного струму, які працюють в нестаціонарному режимі є дорогими за вартістю та вимагають складних систем керування.

З іншої сторони, для досягнення високої динаміки циклу навантаження, що вимагає сучасний рівень техніки, на існуючих стендах необхідно підвищувати потужність силового приводу, що має практичне обмеження, по-перше, і, по-друге, збільшує вартість випробувань.

В даній роботі запропоновано створення випробувальних стендів на основі квазіконсервативних самоорганізуючих рекуперативних механічних систем, що дає змогу створювати енергозберігаючий економічний режим випробувань, і що є актуальним.

Застосування в якості систем силозбудження механізмів зі змінним передавальним відношенням дозволяє робити цикл навантаження автономним і досягати значних прискорень при розгоні та гальмуванні дисків (> 100 рад/с). При цьому використовуються прості асинхронні електричні двигуни змінного струму, що працюють в стаціонарному режимі.

Зв'язок роботи з науковими програмами. .Дисертаційна робота є складовою частиною досліджень, що виконувались в Житомирському інженерно-технологічному інституті:

- госпдоговірна тема "Розробка методики та проведення сертифікаційних випробувань ротора 2-ї ступені турбіни АГТД" (реєстраційний номер РК-0197U001856);

- госпдоговірна тема "Проведення випробувань на МЦВ ротора одновального стаціонарного компресора ВА20007М" (реєстраційний номер РК-0197U001855).

Мета і задачі дослідження. Метою роботи є розробка енергозберігаючих систем випробувальних стендів для досліджень дисків роторів на малоциклову втому.

Для досягнення поставленої мети були сформульовані та вирішувались такі задачі:

· Розроблення та дослідження можливих схем механічних систем, що можуть відтворювати періодично-змінний характер кутової швидкості тіл обертання при випробуваннях.

· Проведення кінематичного та динамічного аналізу схем випробувальних стендів на основі явно виражених механічних рекуператорів та механізмів із змінним в межах одного оберту передавальним відношенням за допомогою комп'ютерного дослідження розроблених математичних моделей.

· Експериментальне дослідження квазіконсервативної рекуперативної системи випробувального стенду на основі кривошипно-кулісного механізму для випробовувань одночасно двох дисків.

· Розробка програмно-апаратного комплексу для експериментального дослідження систем випробувальних стендів, що розглядаються.

Об'єктом дослідження є процес циклічного випробування тіл обертання.

Предметом дослідження є рекуперація енергії при циклічних випробуваннях тіл обертання.

Методи дослідження. Теоретичне дослідження механічних рекуперативних систем проводилося за допомогою методів математичного моделювання та засобів програмування. Експериментальні дослідження квазіконсервативної рекуперативної системи для циклічного навантаження двох тіл обертання в протифазі проводились методом модельного випробування механічних систем за допомогою розробленого програмно-апаратного комплексу та методики досліджень.

Наукова новизна роботи полягає в розробці наукових основ, інженерних методів проектування, спрямованих на створення нового класу випробувальних стендів для досліджень тіл обертання в економічному енергозберігаючому режимі.

Найістотніші наукові результати, що вперше представлені в дисертації і мають повну новизну:

· на основі явища рекуперації механічної енергії створені квазіконсервативні механічні системи, що дозволяють циклічно навантажувати тіла обертання в автономному економічному режимі;

· розроблені математичні моделі квазіконсервативних енергозберігаючих механічних систем, які дозволяють відтворювати цикл навантаження в автономному режимі рекуперації енергії (кінетичної в потенціальну);

· розроблені математичні моделі систем навантажувальних пристроїв для задавання періодично-змінного характеру кутової швидкості тіл обертання на основі механізмів зі змінним (за один оберт) передавальним відношенням;

· встановлені функціональні можливості квазіконсервативної енергозберігаючої механічної системи випробувального стенду для циклічних натурних досліджень одночасно двох тіл обертання в протифазі на малоциклову втому на основі кривошипно-кулісного механізму.



Практичне значення одержаних результатів:

· отримані характеристики механічних квазіконсервативних систем, які забезпечують циклічний періодично-змінний характер кутової швидкості вихідного валу та працюють в рекуперативному економічному режимі, дозволяє зробити оптимальний підбір навантажувальних пристроїв стендів для проведення випробовувань тіл обертання (дисків роторів) на малоциклову втому;

· розроблені схеми енергозберігаючих систем випробувальних стендів на основі явища рекуперації енергії (кінематичної в потенціальну) та на основі механізмів із періодично-змінним передавальним відношенням;

· розроблена на основі кривошипно-кулісного механізму квазіконсервативна система для циклічного навантаження одночасно двох тіл обертання в протифазі, яка працює в енергозберігаючому рекуперативному режимі;

· розроблений програмно-апаратний комплекс для дослідження енергозберігаючих рекуперативних механічних систем, який може бути використаним для проведення промислових випробувань тіл обертання на малоциклову втому та обробки результатів експерименту, а також дослідження кінематики та динаміки обертального руху.

· розроблено метод прецизійного вимірювання кутових швидкостей тіл обертання та система його реалізації.

Особистий внесок здобувача. В роботі [1] здобувачу належить розробка та дослідження рекуперативних механічних систем; в роботі [8] здобувачем виконано розробку конструкції стенду; в роботі [9] здобувачем розроблені алгоритми дослідження та проведено аналіз систем.

Апробація результатів дисертації. Основні результати роботи доповідались та були схваленими на міжнародній науково-технічній конференції "Аэрокосмический комплекс: конверсия й технологии", Житомир: ЖІТІ, 1995 р., на III міжнародній науково-практичній конференції "Сучасні технології в аерокосмічному комплексі", Житомир: ЖІТІ, 1997 р., на IV міжнародній науково-технічній конференції "Сучасні технології в аерокосмічному комплексі", Житомир: ЖІТІ, 1999 р., на міжнародній науково-технічній конференції "Процеси механічної обробки, верстати та інструменти", Житомир: ЖІТІ, 1999 р.

Публікації. По темі дисертації опубліковано 10 наукових праць, із них 7 -у фахових виданнях, 2-у матеріалах конференцій, 1-у тезах конференції.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі проводиться обґрунтування актуальності проведених досліджень, сформульовані основні положення, що виносяться на захист, визначені практична цінність та наукова новизна отриманих результатів, висвітлені питання апробації роботи та публікації.

В першому розділі був проведений аналіз систем випробувальних стендів для натурного дослідження різних деталей машин та ріжучого інструменту типу тіл обертання, на основі чого була запропонована класифікація систем навантажувальних пристроїв за способом рекуперації енергії та за способом силозбудження.

Перспективними являються системи навантажувальних пристроїв на основі механічних замкнених квазіконсервативних систем. Крім переваг відносно енергозбереження вони здатні відтворювати цикл навантаження в автономному режимі, не використовуючи складні системи управління.

В першому розділі були сформульовані основні задачі, що вирішувались в роботі.

В другому розділі було проведено аналітичне дослідження можливих схем випробувальних стендів для циклічних досліджень тіл обертання в полі відцентрових схем. Циклічність характеру випробувань тіл обертання дозволяє проектувати та будувати рекуперативні системи випробувальних стендів по типу замкненого контуру (квазіконсервативні системи), при цьому одночасно досягається зниження енергомісткості процесу випробувань та забезпечується автономність циклу навантаження.

Проведені дослідження показали, що механічні квазіконсервативні системи з рекуператорами енергії можна розділити на 2-і групи:

системи з явно вираженим рекуператором;

системи, в яких рекуперація енергії відбувається за рахунок зміни енергетичного стану, пов'язаного з варіацією параметрів навантажувальних пристроїв.

До першої групи відносяться механізми, що перетворюють (рекуперують) кінетичну енергію диска, який випробовується, в енергію іншого виду.

Принцип їх роботи базується на основі закону збереження повної енергії в замкнених системах

(1)

де Е_п - повна енергія системи;

- кінетична енергія диска, що випробовується,

- енергія, накоплена на рекуператорі.

Якщо примусити циклічно змінюватись, то це в свою чергу визве циклічність зміни кутової швидкості об'єкту випробовувань.

В даній роботі розглядаються дві схеми з явно вираженим рекуператором енергії: система з частковим перетворенням кінетичної енергії диска на потенціальну енергію піднятої маси (на основі ексцентрикового механізму) та система з частковим перетворенням кінетичної енергії диска на потенціальну енергію пружного елементу.

Ідея застосування ексцентрикового механізму заключається в тому, що за його допомогою кінетична енергія диску е₁ (рис. 1) буде розкладатися на кінетичну енергію диска е₂, що обертається, та на потенціальну енергію П_Г піднятого вантажу відносно нижньої точки:

(2)

Періодична зміна потенціальної енергії вантажу буде автономно задавати періодично-змінний закон кутової швидкості диску в даній системі, що виражається формулою

(3)

де - максимальне задане значення кутової швидкості диску;

m - маса вантажу; е - величина ексцентриситету;

g - 9,81 м/с²;

- кут, який задає положення кривошипа; і - передаточне відношення редуктора 3.

Для компенсації втрат енергії в системі, пов'язаних з тертям, до її схеми через відцентрову муфту 5 підключається електричний двигун підживлення 4.

За допомогою математичної моделі та комп'ютерного експерименту були досліджені функціональні можливості даної системи випробувального стенду для великого діапазону параметрів т, е та діапазону зміни кутових швидкостей . Встановлено, що за допомогою такої системи стенду можливо випробовувати в циклічному режимі тіла обертання з моментами інерції J 0,001 кгхм² і при цьому досягати діапазон зміни кутових швидкостей R 20.

В системі стенду з рекуператором пружинного типу (рис. 2) диск 1, що має початкову задану кутову швидкість , через редуктор 3 та механізм, який складається з кривошипа 4 та повзуна 5, зв'язаний з пружиною 2. По такій схемі пружина буде виконувати функції рекуператора механічної енергії.

При цьому частина кінетичної енергії буде акумулюватись на пружині у вигляді потенціальної енергії

(4)

де E_max - максимальне значення кінетичної енергії диску;

Е_i, - поточні значення кінетичної енергії диску та потенціальної енергії пружини.

Кутова швидкість диску в системі визначається за законом

(5)

де J - момент інерції ротору;

_р - поточне значення кутової швидкості ротору;

- кут, що задає положення кривошипа;

C - жорсткість пружини;

r - величина плеча кривошипа.

Аналітичним дослідженням показано, що на основі рекуперативної системи з пружинним накоплювачем енергії можливо створювати випробувальні стенди для досліджень тіл обертання з моментами інерції J 0,1 кгхм² та відтворювати цикл навантаження з діапазоном регулювання кутових швидкостей до R = 20 в автономному режимі.

Існує ряд механізмів, передавальне відношення яких змінюється в межах одного оберту, тобто має періодично-змінний характер. Це дозволяє на основі таких механізмів проектувати системи силозбудження випробувальних стендів для дослідження тіл обертання в циклічному режимі.

В даній роботі розроблено схеми випробувальних стендів на основі кривошипно-кулісного та карданного механізмів та досліджені їх функціональні можливості.

Періодично-змінний характер передавального відношення кривошипно-кулісного механізму, що веде до періодичної зміни кутової швидкості на валі куліси, дозволяє створювати циклічність навантаження дисків, зв'язаних з електричним двигуном через даний механізм. Але змінність кутової швидкості диска протягом періоду веде до невиконання закону збереження енергії в замкненій системі. Тому постає необхідність введення в схему ланки, що компенсує різницю енергії. Такою ланкою може бути пружний елемент 3, як показано на схемі (рис. 3).

Перевагами даної схеми являється автономність керування циклом навантаження, а також економічний режим роботи електричного двигуна.

Дослідження системи (див. рис. 3) проводилось за допомогою еквівалентної схеми (рис. 4). Еквівалентна схема включає диск 1, пов'язаний через пружний елемент 3 з невагомою платформою 2, кутова швидкість якої змінюється за законом , де - постійна початкова швидкість на валу кривошипа; і - передаточне відношення кривошипно-кулісного механізму, що змінюється за законом

(6)

де о - характеристика механізму, рівна відношенню ексцентриситету е між валами кривошипа та куліси до плеча кривошипа r.

Визначено, що кутова швидкість диска, який випробовується за допомогою даної системи, знаходиться за законом

(7)



На рис. 5 зображено графіки законів зміни кутових швидкостей диску в системах без ланки-компенсатора (вітка _2е) та з ланкою-компенсатором механічної енергії 3 (див. рис. 3) - вітка . Як видно з графіка, в даній системі з'являється можливість регулювання діапазону швидкості не лише зміною характеристики механізму , а й зміною жорсткості пружної ланки-компенсатора енергії.

За допомогою комп'ютерного експерименту було досліджено кількісну та якісну характеристику зміни діапазону кутових швидкостей дисків в даній системі стенду. Встановлено, за допомогою стенду створеного за квазіконсервативною схемою на основі кривошипно-кулісного механізму можливо випробовувати тіла обертання з моментами інерції більшими ніж 1 кгхм², досягати великих кутових швидкостей (до десятків тисяч обертів на хвилину) та прискорень дисків до 400 рад/с² і більше, а також створювати на стенді автономний режим навантаження тіл обертання.

= 0,35; r = 0.1; J = 0,1 кгхм²; с = 1600 Н/м

Для створення рекуперативного енергозберігаючого режиму при випробуваннях тіл обертання на малоциклову втому та скорочення часу випробовувань в третьому розділі розглядалася можливість одночасного дослідження двох дисків в протифазному режимі навантаження.

На основі кривошипно-кулісного механізму була створена робоча модель випробувального стенду для циклічних випробовувань одночасно двох дисків (рис. 6).

По схемі диск 1 через редуктор-мультиплікатор 4 з постійним передавальним відношенням зв'язаний з валом кривошипа, а диск 2 зв'язаний через постійний редуктор-мультиплікатор 5 з валом куліси. Завдяки тому, що вали кривошипа та куліси обертаються в протифазі, циклічно змінюючи амплітуду кутової швидкості, диски 1 та 2 будуть навантажуватись в рекуперативному режимі: енергія розігнаного до максимальних обертів диска буде передаватись другому диску, що знаходиться на стадії розгону. Після досягнення другим диском максимальних обертів процес рекуперації енергії буде проходити в зворотному напрямку. При цьому система вимагає додаткової енергії лише на компенсацію втрат, пов'язаних з тертям в опорах і кінематичних зв'язках та аеродинамічним опором, для чого через відцентрову муфту М2 та пасову передачу 7 в схему був включений двигун підживлення Д2.

Двигун Д1 призначений для запуску системи. По досяганні першим диском максимального заданого значення кутової швидкості двигун відключається від системи і зупиняється.

Для виконання закону збереження енергії в даній квазіконсервативній механічній системі в її схему був включений пружний компенсатор різниці енергії 6.

Для проведення експериментальних досліджень даної системи випробувального стенду, його робоча модель була підключена за блок-схемою (рис. 7) до апаратного комплексу, який включав:

- крейтову систему управління сигналами та LМ - модулі;

- операційну плату АЦП серії L-1250;

- персональну ЕОМ.

Зняті та перетворені сигнали оброблювались за допомогою сучасних програмних продуктів ПОС та Ехсеl.

Програмний продукт ПОС є інструментальним програмним забезпеченням для повного циклу робіт з вимірювальною інформацією. В комплексі з ПЕОМ ІВМ РС та апаратними засобами збору інформації, що вказані вище, ПП ПОС представляє програмно-апаратний комплекс по контролю, моніторингу та діагностиці машин та механізмів.

За допомогою такого програмно-апаратного комплексу знімалися дані проведених експериментів та проводився безпосередній візуальний аналіз роботи моделі випробувального стенду в реальному масштабі часу.

Щоб отримати характеристику зміни кутових швидкостей дисків протягом циклу навантаження було необхідним безперервно в часі фіксувати їх значення. Для виконання цієї задачі була розроблена методика вимірювання кутових швидкостей на основі електромагнітної схеми (рис. 8).

Принцип дії схеми базувався на явищі електромагнітної індукції. На диски, що були встановлені на моделі випробувального стенду, були по периферії на однаковому діаметрі симетрично наклеєні постійні магніти. Проходячи повз котушки індуктивності 1 з швидкістю V_і, магніт 2 (рис. 8) збуджує в ній електрорушійну силу індукції _і, значення якої пропорційне лінійній швидкості магніту, а, в свою чергу, і кутовій швидкості диску: _і, ~ V, ~ _і.

З котушок індуктивності 1 електромагнітний імпульс подавався на вхід крейтової системи обробки сигналів 4. Після цього підсилений сигнал фіксувався за допомогою комп'ютера 3 і представлявся у вигляді таблично заданої функції величини сигналу Q = f (t), та у вигляді динамічної діаграми сигналу на моніторі комп'ютера.

Фрагмент діаграми поведінки сигналу при кутовій швидкості диску, що відповідає об/хв, показаний на рис. 9.

Значення кутової швидкості чисельно оцінювалось за двома дублюючими параметрами - амплітудою та періодом імпульсів, що дало змогу мінімізувати похибку обчислення.

Для з'ясування можливостей зміни кутових швидкостей обох дисків, тобто задавання необхідного циклу навантаження системою стенду (рис. 6), було проведено ряд експериментів, в яких керуючим параметром була характеристика кривошипно-кулісного механізму .

В результаті проведеного аналізу даних експерименту були знайдені робочі діапазони зміни кутових швидкостей обох дисків R. (рис. 11), та отримані їх залежності від характеристики кривошипно-кулісного механізму :

випробувальний рекуперативний циклічний енергія

(8)

(9)

де R₁, R₂, - діапазони регулювання кутових швидкостей першого, другого дисків.

На діаграмі (рис. 11) поміщений також графік аналітично розрахованого діапазону кутової швидкості R_1теор. в системі з одним диском та без пружного елементу.

Аналіз діаграми діапазонів показує значне розширення можливостей регулювання кутових швидкостей в системі з двома об'єктами випробувань та з пружним елементом. Встановлено, що за допомогою даної системи випробувального стенду можливо відтворювати цикли навантаження з діапазоном регулювання кутових швидкостей до R = 10.

За результатами експерименту встановлено, що значення періоду Т зміни кутових швидкостей дисків підлягає лінійному закону

(10)

Користуючись залежністю (10) та підбираючи передавальне відношення редукторів 4 і 5 (рис. 6), можна задавати будь-який період навантаження дисків при необхідному діапазоні регулювання кутових швидкостей.

В четвертому розділі розглядався енергетичний аспект випробувань тіл обертання за допомогою квазіконсервативної рекуперативної системи стенду

Проведений аналіз роботи двигуна Д2 показав, що на підживлення витрачається за один цикл навантаження 30-35% повної енергії системи стенду. Тобто, дана система стенду дозволяє проводити випробування в режимі збереження до 65-70 % енергії.

Щоб показати ефективність використання даної системи, аналітично були оцінені за однакових умов з експериментальними необхідна потужність силового приводу в традиційній системі випробувального стенду на основі електричного двигуна постійного струму та значення електричної енергії, що витрачається на відтворення циклу навантаження в такій системі.

Порівнюючи експериментальні дані з розрахунками, встановлено, що необхідна потужність силового агрегату в квазіконсервативній рекуперативній системі випробувального стенду на основі кривошипно-кулісного механізму в порівнянні з традиційною системою стенду зменшується в 9 разів, при цьому використовується електричний двигун змінного струму (значно простіший та дешевший). Цикл навантаження в даній системі стенду відносно електроенергії, що витрачається на його відтворення, стає майже в 4 рази менш енергомістким.



ВИСНОВКИ

1. На основі явища рекуперації механічної енергії створені квазіконсервативні механічні системи, що дозволяють циклічно навантажувати тіла обертання в автономному економічному режимі.

2. На основі аналітичного моделювання отримані кінематичні та динамічні характеристики для механічних рекуперативних замкнених систем (МРЗС) типу ексцентрикового та пружинного механізмів.

Дані системи пропонуються для створення випробувальних стендів для циклічних досліджень тіл обертання з моментами інерції до 0.1 кгхм² . При цьому досягаються діапазон зміни кутової швидкості до 20.

3. Розроблені та досліджені МРЗС для створення циклічного режиму навантаження тіл обертання на основі механізмів із змінним передавальним відношенням. Запропоновано інженерні методи проектування приводів випробувальних стендів, що дозволяють відтворювати цикли навантаження в автономному режимі.

Встановлено, що вказані механізми дозволяють в 3-7 рази скоротити цикл "розгін - зупинка" порівняно із традиційними приводами стендів на основі електричних двигунів постійного струму.

4. Розроблена схема та проведені випробування моделі випробувального стенду на основі кривошипно-кулісного механізму для досліджень одночасно двох ротаторів. В результаті випробувань підтверджена функціональна працездатність даної системи та рекуперативний режим її роботи, досліджений вплив керуючих параметрів системи на цикл навантаження.

5. Експериментальне встановлено, що використання замкненої системи випробувального стенду на основі ККМ для одночасного дослідження двох тіл обертання дозволяє зберегти до 60-70 % енергії протягом одного циклу навантаження.

6. Порівнюючи з традиційною системою із силозбудженням електричним двигуном постійного струму дана МРЗС дозволяє зменшити в 9 разів потужність силового агрегату установки та майже в 4 рази енергомісткість циклу навантаження.

7. Розроблений програмно-апаратний комплекс для досліджень кінетики обертального руху, який дозволяє автоматизувати процес зйому та реєстрації результатів експерименту з дискретністю від 500 мкс до 50 мкс, одночасно вести дослідження по декільком параметрам; представляти експериментальні дані у зручній табличній формі, що легко в подальшому оброблюються за допомогою комп'ютера; проводити візуальне спостереження за ходом експерименту в реальному масштабі часу.

8. Розроблений прецизійний спосіб вимірювання кутових швидкостей тіл обертання при якому значення швидкості замінюється пропорційним електричним імпульсним сигналом і оцінка дійсного значення кутової швидкості ведеться за двома дублюючими параметрами імпульсів.



СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗДОБУВАЧА ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

Грабар І.Г., Мельничук С.В., Гутніченко О.А. Проблеми рекуперації енергії при циклічних випробовуваннях дисків і роторів. // Вісник ЖІТІ. - 1996. - №3. - С. 84-88.

Мельничук С.В. Модельні випробовування нелінійної рекуперативної системи стенда для дослідження дисків ГТД на МЦВ // Вісник ЖІТІ. - 1998. - №8. - C. 15-19.

Мельничук С.В. Дослідження рекуперативної системи двох ротаторів, зв'язаних нелінійним ланцюгом з пружним елементом // Вісник ЖІТІ. - 1998. - №8. - C. 245-247.

Мельничук С.В. Системи силозбуджувачів та навантажувальних пристроїв для створення циклічного режиму при випробовуванні тіл обертання // Вісник ЖІТІ. - 1999. - №9. - С. 87-91.

Мельничук С.В. Ефективність застосування системи стенду на основі кривошипно-кулісного механізму для одночасного випробовування двох роторів // Вісник ЖІТІ. - 1999. - №10. - С. 97-99.

Мельничук С.В. Енергозберігаюча рекуперативна технологія випробувань тіл обертання на малоциклову втому // Вестник НТУУ "КПИ" Машиностроение. - 1999. - №37. - С. 241-248.

Мельничук С.В. Енергозбереження при циклічних випробуваннях тіл обертання // Вісник ЖІТІ. - 2000. - №12. - С. 36-40.

Грабар И.Г., Мельничук С.В. Энергосберегающий стенд для ускоренных испытаний дисков ГТД. // Тезисы докладов научно-технической конференции “Аэрокосмический комплекс: конверсия и технологии”. - Житомир. - 1995. - С. 44-45.

Грабар І.Г., Мельничук С.В. Можливе застосування кривошипно-кулісного механізму та механізму Гука при випробовуваннях дисків на малоциклову втому. // Матеріали 3 Міжнародної науково-практичної конференції “Сучасні технології в аерокосмічному комплексі”. - Житомир: ЖІТІ. - 1997. - С. 106.

Мельничук С.В. Економічні переваги схеми випробувального стенду із замкненим механічним контуром на основі кривошипно-кулісного механізму // Матеріали ІV Міжнародної науково-технічної конференції "Сучасні технології в аерокосмічному комплексі", - Житомир: ЖІТІ. - 1999. - С. 127-131.



АНОТАЦІЇ

Мельничук С.В. Енергозберігаючі рекуперативні системи для випробувань тіл обертання. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.02.02 - Машинознавство. - Технологічний університет Поділля, Хмельницький, 2001.

Дисертація присвячена проблемі енергозбереження при циклічних випробуваннях тіл обертання. Показана можливість збереження кінетичної енергії розігнаного до максимальних обертів диска на етапі його зупинення шляхом рекуперації в інші види енергії або накоплені на інших обертових об'єктах. Розроблений клас механічних систем з явно вираженим рекуператором, які автономно здійснюють цикл рекуперації енергії: кінетична - потенційна - кінетична. Такі системи дозволяють задавати циклічний режим навантаження тіл обертання. Досліджений клас механічних систем на основі механізмів із періодично-змінним передавальним відношенням типу кривошипно-кулісного чи карданного з метою застосування їх в якості систем силозбудження на випробувальних стендах. На основі кривошипно-кулісного механізму розроблена рекуперативна квазіконсервативна система для циклічного навантаження одночасно двох тіл обертання в протифазі. Експериментальні модельні випробування даної системи показали досягнення економія енергії до 60-70% за цикл навантаження та зменшення необхідної потужності силового агрегату в 9 разів. Створений програмно-апаратний комплекс дозволив проводити числову оцінку кутових швидкостей дисків за розробленою прецизійною методикою.

Ключові слова: циклічні випробування тіл обертання, рекуперація енергії, енергозбереження.



Мельничук С.В. Энергосберегающие рекуперативные системы для испытаний тел вращения. - Рукопись.

Диссертация на получение научной степени кандидата технических наук за специальностью 05.02.02 - Машиноведение. - Технологический университет Подолья, Хмельницкий, 2001.

Диссертация посвящается проблеме энергосбережения при циклических испытаниях тел вращения. Показана возможность сохранения кинетической энергии разогнанного до максимальных оборотов объекта испытаний на этапе его торможения путем рекуперации в другие виды энергии (кинетической энергии испытуемого объекта в потенциальную энергию другого элемента системы стенда) или накопления на других вращающихся объектах.

Разработан класс механических систем с явно выраженным рекуператором, позволяющих осуществлять цикл рекуперации энергии: кинетическая - потенциальная - кинетическая. Численное исследование математических моделей систем на основе пружинного и эксцентрикового рекуператоров показали возможность их применения для циклических испытаний тел вращения с моментами вращения до 0,1 кгм² в диапазоне регулирования угловых скоростей до 10...20. Определено, что потери энергии за один цикл нагружения в таких системах составляют 20-25%, то есть достигается экономная энергии до 75-80%.

Исследован класс механических систем на основе механизмов с переменным на протяжении одного оборота ведущего вала передаточным отношением. Численный анализ этих систем показал возможность их применения в качестве нагружающих устройств стендов для циклических испытаний тел вращения. В работе выполнен кинематический анализ систем на основе кривошипно-кулисного и карданного механизмов.

Существенное преимущество данных систем испытательных стендов, как и предыдущих, - возможность автономно поддерживать цикл нагружения, в отличие от традиционных испытательных систем, использующих в качестве нагружающих устройств электрические двигатели постоянного тока совместно с дорогостоящими сложными системами управления.

На основе кривошипно-кулисного механизма разработана рекуперативная квазиконсервативная система для циклического нагружения одновременно двух тел вращения в противофазе. Результаты эксперимента показали, что, благодаря рекуперации энергии между двумя испытуемыми дисками, достигается экономия энергии до 60-70% за цикл нагружения, в 9 раз уменьшается необходимая энергия силового агрегата и в 4 раза понижается энергоемкость цикла нагружения.

В такой системе выполняется самоорганизация цикла нагружения, что позволяет обходиться без дополнительных систем управления. Во-вторых, в системе используется электродвигатель переменного тока, сравнительно дешевый как по стоимости, так и в эксплуатации.

Для проведения эксперимента был разработан программно-аппаратный комплекс, позволяющий автоматизировать процесс съема и регистрации результатов с дискретностью до 50 мкс, представлять результаты в виде таблиц и графиков, проводить визуальное наблюдение за ходом эксперимента в реальном масштабе времени.

Аппаратной частью комплекса служили: крейтовая система управления сигналами и LМ - модули; операционная плата АЦП серии L-1250 и персональная ЕВМ. Программной частью были программные продукты ПОС (пакет обработки сигналов) и Ехсеl.

Внедрение такого программно-аппаратного комплекса позволило проводить численную оценку угловых скоростей за разработанной прецизионной методологией.

Ключевые слова: циклические испытания тел вращения, рекуперация энергии, энергосбережение.



Melnichuk S.V. Energy-saving recuperative systems for rotation bodies tests. - Manuscript.

The thesis for the degree of Candidate of Technical Sciences in specialty 05.02.02 - Science of machines. Technological university of Podillia, Khmelnitky, 2001.

The dissertation is devoted to energy-saving problem during rotation bodies cyclic tests. Probability of kinetic energy of accelerated to the highest possible speed object of test saving during its deceleration by recuperation into another kinds of energy or accumulation by another rotating objects is shown. The class of mechanical systems with obviously delineated recuperator that allow realizing the cycle of kinetic-potential-kinetic energy recuperation in autonomous mode developed. Such systems allow to specify cyclic mode of rotation bodies load. The mechanical systems class based on mechanisms with variable gear ratio during one rotation of drive shaft of oscillating or cardan type purposely for using as excitation systems for test stands was investigated. Based on oscillating crank gear recuperative quasi-conservative system developed for simultaneous cyclic load of two rotation bodies in antiphase. Experimental tests of this system model show the energy economy up to 70% per cycle and required power of an engine reduction up to 9 times. Created program-technical complex allowed to carry out numerical estimation of angular velocity of disks according to developed precision method.

Key words: cyclic tests of rotation bodies, energy recuperation; energy saving.

Размещено на Allbest.ru

...