Для проведения экспериментальных исследований был разработан и создан экспериментальный стенд физической модели поршневого пневмодвигателя на базе автомобильного одноступенчатого, вертикального, одноцилиндрового компрессора с ходом поршня 38мм и диаметром цилиндра 60мм. В компрессоре вместо штатных клапанов был установлен нормально-открытый впускной кольцевой клапан, а в нижней части цилиндра выполнены выхлопные окна [5].
На рис.5 представлен продольный разрез пневмодвигателя.
Клапанная головка двигателя, включающая крышки клапана 3 и крышки цилиндра 6, присоединена к цилиндру 7. Внутри головки размещен нормально-открытый самодействующий впускной клапан, содержащий кольцевой запорный элемент 4, ограничитель подъема 2, способный перемещаться по резьбе относительно крышки 3 для изменения максимальной высоты подъема запорного элемента, и пружины сжатия 5. Подача сжатого воздуха в двигатель производилась через штуцер 1, ввёрнутый по резьбе в ограничитель подъема 2.
Работа пневмодвигателя производится следующим образом. При движении поршня 8 от верхней мертвой точки (ВМТ) происходит процесс наполнения цилиндра воздухом через нормально открытый впускной клапан. С увеличением скорости поршня увеличивается перепад давления и растет газовая сила на запорный элемент 4 клапана. Преодолевая упругие силы пружин 5, запорный элемент клапана закрывается. Поступление свежей порции воздуха в цилиндр прекращается. При перемещении поршня к нижней мертвой точке (НМТ) воздух расширяется с совершением внешней работы. После открытия поршнем выхлопных окон 9 вблизи НМТ, расширившийся воздух выводится в атмосферу. При обратном движении поршня к ВМТ за счет сил инерции маховика, и при достижении в цилиндре 7 давления, близкого к давлению на входе, запорный элемент клапана под действием пружин 5 открывается, и цикл повторяется.
|
|
Рис. 5. Поршневой прямоточный пневмодвигатель:
1-штуцер подачи воздуха; 2-ограничитель подъема; 3-крышка клапана;
4-кольцевой запорный элемент; 5-пружина; 6- крышка цилиндра;
7-цилиндр; 8-поршень; 9-выхлопные окна
Для автоматизации экспериментальных исследований рабочих процессов физической модели пневмодвигателя использовался измерительный комплекс, совместимый с ПЭВМ (рис.6).
В качестве универсального интерфейсного преобразователя был выбран модуль Е14-440, являющий универсальным программно-аппаратным устройством со стандартной шиной USB (аналого-цифровой преобразователь АЦП). Модуль позволяет одновременно фиксировать 16 и более быстроменяющихся параметров с выводом их на экран. Поддержку модуля Е14-440 осуществляет законченный программный продукт PowerGraph, представляющий собой многоканальный осциллограф.
Рис. 6. Принципиальная схема экспериментальной установки:
1 - пневмодвигатель; 2 - нормально открытый самодействующий впускной клапан;
3 – контактный датчик перемещения запорного элемента клапана;
4,5 – датчики быстроменяющегося давления; 6 – отметчик ВМТ;
7 - мостовая измерительная схема; 8 – источник питания; 9 - АЦП
С помощью измерительного комплекса производились математическая обработка выделенных фрагментов осциллограмм (определение индикаторной мощности, отметка углов начала закрытия и открытия впускных клапанов и т.п.), перевод контролируемых параметров в единицы измерения физических величин в соответствие с тарировкой. Регистрировались быстроменяющиеся давления и температуры в цилиндре пневмодвигателя, фиксировались положения ВМТ и НМТ, записывались диаграммы движения запорного элемента впускного клапана. Измерялись внешние параметры: давление, температура, влажность и расход сжатого воздуха на входе (поплавковый расходомер KROHNE), температура отработанного воздуха на выходе, частота вращения вала, средние температуры стенок рабочих полостей.
|
|
Результаты эксперимента
При поддержании постоянного давления сжатого воздуха на входе в 
в условиях близких к стационарному режиму производилась регистрирация быстроменяющиеся и внешних параметров рабочего процесса двигателя, обусловленных изменением следующих режимных и конструктивных параметров: величин внешних нагрузок на электрический генератор; давлений сжатого воздуха на входе; величин относительных мёртвых пространств; жесткости пружин - 
; максимальных высот перемещения запорных элементов - 
maxи предварительныхподжатийпружин.
На рис.7 приведены зависимости быстроменяющихся давлений воздуха в полости над клапаном (линия сверху) и в цилиндре (линия снизу) за цикл для одного из режимов функционирования ПД с 
= 0,75 мм, жёсткостью пружины = 2122 Н/м; на рис.8 – отметки углов закрытия и повторного открытия запорного элемента клапана.
Рис.7. Изменение давлений воздуха в полости над запорным