Цель и задачи работы ознакомление с экспериментальными методами регистрации индикаторных диаграмм тихоходных и быстроходных поршневых компрессоров; получение индикаторной диаграммы и обработка ее на ЭВМ; определение основных параметров компрессора; построение его механической характеристики.

4.1. Общие сведения о механических характеристиках машин.

Известны два основныхкласса машин: машины-двигатели и рабочие машины. Первые предназначены для преобразования различных видов энергии (тепловой, электрической и др.) в механическую, вторые используют механическую энергию для выполнения полезной работы. Двигатель, механизм и рабочая машина в совокупности образуют машинный агрегат. При динамическом анализе машинного агрегата рабочие процессы в нем представлены в виде зависимостей энергии, силы или момента на входном или выходном звене от его перемещения или скорости. Эти зависимости называются механическими характеристиками.

Широко распространенными машинами (как рабочими, так и машинами-двигателями) являются поршневые машины. В этих машинах либо силы давления газа преобразуются в крутящий момент на валу кривошипа (двигатели внутреннего сгорания, детандеры), либо крутящий момент на валу кривошипа — в энергию сжатого газа или жидкости (компрессоры, насосы). Графическая зависимость, характеризующая изменение давления в цилиндре поршневой машины от перемещения поршня, называется индикаторной диаграммой. Свое название эта диаграмма получила по наименованию прибора, используемого для ее регистрации, -механического или электрического индикатора.

Описание экспериментальной установки.

Индикаторная диаграмма регистрируется на экспериментальной установке, состоящей из электродвигателя, ременной передачи и одноцилиндрового воздушного поршневого компрессора. Основным механизмом компрессора является кривошипно-ползунный (рис. 4.1), состоящий из:

• кривошипа 1,
• шатуна 2
• поршня 3
• цилиндра 0.

В рабочем цикле компрессора (один оборот кривошипа) можно выделить четыре фазы, соответствующие на индикаторной диаграмме следующим участкам: ab — расширения остаточного воздуха; bc— всасывание; cd— сжатие; da--- нагнетание.

Схема экспериментальной установки с механическим индикатором приведена на рис. 4.2 . Цилиндр компрессора 1 через кран 2 соединяется с цилиндром индикатора 3. Поршень индикатора 4 под действием давления перемещается и сжимает пружину 5.

Рис4.1

Перемещение поршня 4 через рычажный механизм 6 с постоянным передаточным отношением сообщается пишущему стержню. Лист бумаги 8, на котором записывается диаграмма, закрепляется на барабане 7 пластинчатыми пружинами. Барабан приводится во вращение шнуром 10, прикрепленным к поршню компрессора. Возврат барабана в исходное положение осуществляется пружиной 9. В результате суммирования перемещений стержня и барабана на листе бумаги вычерчивается индикаторная диаграмма. За начало отсчета давления на индикаторной диаграмме принимается линия атмосферного давления. Для записи этой линии цилиндр индикатора краном 2 соединяется с атмосферой.

Область применения механических индикаторов ограничена частотой вращения кривошипа n (примерно до 5 об/с). При большей частоте вращения инерция звеньев индикатора сильно искажает форму диаграммы. Поэтому индикаторные диаграммы быстроходных машин регистрируются безынерционными электрическими датчиками.

Схема установки для регистрации индикаторной диаграммы быстроходного компрессора приведена на рис. 4.3. В этой установке кривошипный вал соединяется с электродвигателем 1 поводковой муфтой. Давление в цилиндре 2 компрессора измеряется пьезоэлектрическим датчиком 3. Сигнал датчика через усилитель поступает на вертикальную развертку катодного осциллографа 5. Для получения электрического сигнала, пропорционального перемещению поршня, в установке используется электромеханическая система с фотоэлектрическим датчиком. Диск 8 радиусом R = l _э установлен на валу кривошипа АВ с эксцентриситетом e. Свет от электролампы 10 через конденсорные линзы 6 и щелевую диафрагму 9 попадает на фотоэлемент 7. Так как отношение e/ R равно отношению длин звеньев механизма l _АВ/l _ВС, то при вращении вала световой поток, попадающий на фотоэлемент, будет пропорционален перемещению поршня. Сигнал с фотоэлемента 7 через усилитель поступает на горизонтальную развертку катодного осциллографа 5. В результате суммирования сигналов на экране осциллографа появляется замкнутая кривая - индикаторная диаграмма 4.

Рис.4.2

4.3. Обработка индикаторной диаграммы.

          Вычерченная механическим индикатором диаграмма имеет по осям координат масштабы давления m_p и перемещения m_s. Оси координат по отношению к диаграмме размещаются следующим образом: ось абсцисс совмещается с линией атмосферного давления, ось ординат перпендикулярна ей и направлена по касательной к диаграмме (рис. 4.4).

          Для обработки диаграммы проводится ее табулирование — представление экспериментального графика в виде массива дискретных значений. На ось абсцисс диаграммы наносятся 12 позиций, соответствующих положениям кривошипа через . В этих позициях измеряются ординаты диаграммы. Результаты измерений заносятся в таблицу журнала.При обработке индикаторной диаграммы определяются:

а)максимальное и минимальное давление в цилиндре компрессора (МПа)

p_max= y_pmax /m_p                       (4.1)

p_min=y_pmin/m_p                                   (4.2)

где y_pmax и y_pmin— ординаты экстремумов на диаграмме;

Рис 4.3

Рис.4.4

б) индикаторная мощность компрессора (Вт) — работа по сжатию воздуха, совершаемая компрессором в единицу времени

N_i=A_цZ/T_ц                                                                                   (4.3)

где A_ц — работа сжатия воздуха за цикл, Дж; T_ц=1/n₁— время цикла; n₁— частота вращения кривошипа, 1/с; Z — число цилиндров компрессора.

Из рис. 4.4

dA=F_c dS_c=pf_ndS_c=f_ny_pdx/(m_pm_s),          (4.4)

A_ц=f_ny_pdx=f_nf_и/(m_pm_s ),                                       (4.5)

где f_n — площадь поршня компрессора, м²; f_и — площадь индикаторной диаграммы, мм².

Окончательно формула для индикаторной мощности имеет вид:

N_i=Zf_n n₁f _и10⁶/(m_p m_s),                         (4.6)

в) механическая характеристика компрессора по индикаторной диаграмме. Для рабочей машины под механической характеристикой обычно понимают зависимость силы сопротивления F_c от перемещения выходного звена ( в нашем случае перемещение поршня S_c ).

Рис.4.5

Чтобы построить зависимость F_c=(S)_c , необходимо определить значение и знак силыF_c для различных положений поршня. Известно, что работа внешних сил, действующих на механизм, либо увеличивает кинетическую энергию системы, либо уменьшает ее. В первом случае силы называются движущими силами, вторые – силами сопротивления. Принимают следующие правило знаков: сила считается движущей и положительной, если направление вектора скорости точки ее приложения совпадает с направлением проекции этой силы на вектор скорости (рис. 4.5).

Сила F_c является равнодействующей внешних сил, действующих на поршень. Слева (см. рис. 4.1) на поршень действуют силы давления сжатого воздуха, справа — силы атмосферного давления. Так как индикаторная диаграмма строится относительно линии атмосферного давления, то сила F_cв любом положении поршня будет равна произведению давления, определенного по индикаторной диаграмме p= y_p/m_p , на площадь поршня f_n.

m_f=m_p10⁶/ f_n ,(4.7)

где m_f — масштаб силы, мм/Н

Экспериментальные значения силы F_c находят из графика F_c=f(S_C)

F_cmax=y_Fcmax/m_f (4.8)

F_cmin=y_Fcmin/m_f (4.9)

4.4. Порядок выполнения работы

1. Ознакомьтесь с описаниями работы и полярного планиметра (см. ), устройством экспериментальных установок и правилами работы на них

2. Закрепите на барабане механического индикатора бумагу; включите двигатель компрессора; соедините поворотом крана цилиндр индикатора с цилиндром компрессора и, слегка прижимая стержень к бумаге, запишите индикаторную диаграмму. Соедините датчик с атмосферой (необходимо повернуть кран на 90° по часовой стрелке) и запишите линию атмосферного давления. Выключите двигатель и снимите бумагу с барабана

3. Включите катодный осциллограф и дайте ему погреться 1-2 мин. Выключите двигатель быстроходного компрессора. При необходимости отрегулируйте яркость и фокусировку изображения. Визуально изучите особенности полученной индикаторной диаграммы. Выключите сначала осциллограф, а затем компрессор

4. Вклейте в журнал индикаторную диаграмму, при этом ось абсцисс совместите с линией атмосферного давления, а ось ординат расположите на касательной (см. рис. 4.4). Через 12 положений точки С, отмеченных на оси абсцисс, проведите вертикальные линии и измерьте по ним ординаты индикаторной диаграммы. Занесите ординаты в соответствующую таблицу журнала

5. Измерьте полярным планиметром площадь индикаторной диаграммы

6. Введите в ЭВМ программу "LAB4", затем в соответствии с инструкциями программы исходные данные (из таблицы журнала) и выведите на печать результаты расчета.

7. Занесите результаты расчета в журнал. Сформулируйте выводы по работе, отразите в них изученные методы регистрации индикаторной диаграмм, область их применения; проанализируйте полученную механическую характеристику.

Приложение П4

Устройство полярного планиметра и работа с ним. Планиметром называется устройство для измерения площадей плоских фигур. Полярный планиметр (рис. П4.1) состоит из двух рычагов АВ и ВС, соединенных шаровым шарниром в точке В. Точка С фиксируется на плоскости иглой и грузом Г, при этом рычаг ВС может вращаться вокруг точки С. На рычаге ВА установлена подвижная каретка К, перемещение которой по рычагу изменяет масштаб прибора. На каретке размещен вращающийся ролик Р,  с которым винтовой передачей связан диск шкалы грубого отсчета Д. На рычаге АВ в точке А закреплен штифт ш. В процессе измерения площади фигуры штифт перемещается по ее контуру (по часовой стрелке или против). При этом ролик Р скользит и перекатывается по плоскости, это движение через винтовую передачу сообщается диску Д, и он поворачивается на некоторый угол. Шкала точного отсчета (нониус) помещена на каретке К. Каждое деление этой шкалы на 0,1мм больше деления шкалы ролика.

Порядок проведения измерений. Чертеж плоской фигуры, площадь f_u которой требуется измерить, размещается на ровной, слегка шероховатой поверхности (например, на листе ватмана). Планиметр собирают и устанавливают на плоскости по отношению к измеряемой фигуре так, чтобы в процессе измерений угол между рычагами минимально отклонялся от 90. Штифт Ш размещают в произвольной точке контура измеряемой фигуры и считывают начальное показание со шкал прибора. Затем обводят штифтом по контуру и считывают второе показание со шкал планиметра. Из большего показания вычитают меньшее. Результат, умноженный на масштаб прибора (на 10) составляет измеренную площадь.

Таким образом, получены четыре цифры начального показания прибора:

т.е. показания прибора равно 6517.

По рис. П4.2б аналогичным образом можно определить второе показание, равное 6633. Площадь фигуры по результатам измерений:

f_u=(6633-6517)10=1160 мм²

Рис.П4-1

а.                                              б.

Рис 4.2