Разработка и внедрение методов повышения качества поршневых компрессоров электротехнического оборудования

В основных направлениях развития народного хозяйства, принятых на ХХУ1 съезде КПСС, особое внимание уделяется повышению технического уровня и качества продукции машиностроения как важнейших факторов развития общественного производства, определяющих возрастание производительности труда и повышение его эффективности! 1 ].

Рост энерговооруженности городов и промышленных центров, включение в единую систему городских подстанций при увеличении экономичности и надежности их работы приводят к повышению технических параметров и ужесточению требований, предъявляемых к электрическим аппаратам высокого напряжения. Использование же современных распределительных устройств обуславливает широкое применение для их нормального функционирования поршневых компрессорных машин. Однако в настоящее время по ряду единичных показателей качества эти компрессоры не всегда удовлетворяют растущим требованиям энергетики, что ставит на одно из первых мест проблему повышения эксплуатационных показателей компрессоров, используемых для обслуживания высоковольтных аппаратов.

Особенно актуальной является проблема обеспечения качества поршневых компрессоров ГСВ-0,6/12 и ГСВ-1/1 В, применяемых в ва-куумно-компрессорных установках ВКУ-0,4/10. Недостаточная эффективность работы, а также досрочные выходы компрессора из строя, обуславливают отказы в функционировании электрических высоковольтных аппаратов и приводят к потерям дорогостоящей газовой изоляции.

Практика показывает, что серийные компрессоры по своим эксплуатационным показателям имеют широкий диапазон рассеяния, определяющий значительный резерв повышения их качества.

Обеспечение высокого уровня качества в компрессоростроении осуществляется на всех стадиях от создания до эксплуатации компрессоров и охватывает широкий комплекс конструкторских, технологических и эксплуатационных задач. Эти задачи включают разработку методов и средств, направленных на достижение оптимального технического уровня изделия, а также получения максимальной экономической эффективности от его эксплуатации.

В настоящей работе рассмотрены вопросы, направленные на дальнейшую разработку теории управления качеством поршневых компрессоров.

Ввиду комплексности системы управляющими воздействиями охватывались все рассматриваемые факторы и условия для достижения запланированного уровня качества компрессоров.

В диссертации предлагается новое решение актуальной для науки и производства задачи обеспечения качества компрессоров на стадии производства. Решение задачи достигается на основе разработки и исследования математической модели функционирования компрессора, устанавливающей взаимосвязь эксплуатационных показателей с геометрическими и силовыми факторами, при переменной массе рабочего тела и площади проходного сечения в тракте уплотнения, а также с учетом неравномерности движения поршня. При этом разработана методика точностного расчета основных геометрических параметров деталей и узлов компрессора с учетом силовых и температурных деформаций, позволяющая уменьшить объем подгоночных работ при сборке компрессора, при условии сохранения качества в установленных пределах.

Для проверки выдвинутых теоретических положений проведены исследования распределений отклонений геометрических и силовых факторов, определены их предельные значенияэкспериментально с помощью разработанной измерительной системы установлены основные виды изменения формы зеркал цилиндров, обуславливающие качество работы поршневого уплотненияэмпирически установлены связи и получены зависимости эксплуатационных показателей от геометрических и силовых факторов, позволяющие определить коэффициенты, необходимые для реализации математической модели и управления качеством компрессора.

Для стабилизации показателей качества в серии однотипных компрессоров разработаны рекомендации по регламентации геометрических и силовых факторов. Установлена зависимость основных эксплуатационных показателей от этих факторов, предложена методика выбора ограничений на связи с учетом обеспечения качества компрессора.

Диссертационная работа выполнена на основании договора между МВТУ им. Н. Э. Баумана и Специальным конструкторско-технологи-ческим бюро по высоковольтной и криогенной технике Мосэнерго (СКТБ ВКТ) в соответствии с координационным планом исследовательских работ Совмина СССР на 1970;1990 гг. в компрессорострое-нии, а также постановления № 126 от ЗОЛУ, 81 г. ЦК КПСС и Совмина СССР, приказа Минхимнефтемаш СССР от 20.У.81 г.,. тематических заданий № 31.287, N2 31.289 Минэнерго СССР по разработке, освоению и внедрению электротехнического оборудования с газовой изоляцией и постановления № 655 Совмина СССР, от 5.УП.79 г.

Автором показано детерминирующее влияние факторов и условий, определяющих точностные параметры, на единичные показатели качества поршневых компрессоров. Это нашло свое отражение в технических материалах, включающих рекомендации по их выбору и методику точностных расчетов, применение которых обуславливает формирование качества компрессоров при изготовлении.

Для внедрения технических материалов предусмотрены операции контроля в технологических процессах, разработаны и определены структура и место этих операций в системе управления, их метрологическое обеспечение, а также методика проведения измерений, что служит основой для разработки на предприятии системы управления качеством компрессоров на стадиях производства и эксплуатации.

I. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ.

1. Анажз фактической точности изготовления деталей поршне вого уплотнения показал, что несмотря на соответствие уровня точности технологических процессов и оборудования точностным требованиям к геометрическим параметрам, воздействие геометри ческих и силовых факторов приводит к потере точности основных деталей сопряжений компрессора в процессах их изготовления, сборки и эксплуатации.2. На основании экспериментальных исследований установлено, что отклонения геометрических и силовых факторов при сборке до стигают SO-'tO % от соответствующих номинальных и средних значе ний. Это приводит к отклонениям формы зеркал цилиндров и сниже нию эксплуатационных показателей компрессора.3. Для контроля качества при сборке компрессоров разработа на измерительная система с электромагнитными преобразователями, позволяющая определять погрешности формы деталей цилиндро-порш невой группы.4. Используя разработанную измерительную систему для оценки деформаций зеркал цилиндров, было установлено, что форма зер кал изменяется от четырехвершинной огранки в верхней части ци линдра до эллипса в нижней. При этом отклонения формы достига ют 15−85 мкм, что приводит к увеличению площадей проходных се чений по продольной образующей цилиндра и ухудшению качества работы поршневого уплотнения.5. Экспериментальные исследования температурных полей и деформаций сечений цилиндров позволили рассчитать значения на грузок в узловых точках и построить нагрузочные функции для мо дели цилиндра. 5. В результате обработки эксперголентальных данных получе на зависимость утечек (коэффициента герметичности) и произво дительности от действия силового фактора z^, что позволяет определить эмпирические коэффициенты, необходимые для расчета математической модели качества функционирования компрессора. 4. PASPiffiOTKA МЕТОДОВ ПОВЫШЕНИЯ КАЧЕСТВА ПОШНЕВЫХ КОМПРЕССОРНЫХ МАШИН И ВНЩРЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЙ В ПРОМЫШЛЕННОСТЪ 4. 1. Разрабохка расчехной махемахической модели по управ лению качесхвом поршневых компрессорных машин Для разрабохки расчехной махемахической модели качесхва необходимо усхановихь взаимосвязь эксплуахационных показахе ;

лей компрессора с охклонениями геомехрических и силовых факхо ров .Из анализа лихерахурных исхочников[25,2б, 27, 5^]можно выде лихь меходы расчеха хочносхи, основанные на использовании: I. ме хода граничных испыханий- 2, мехода нахурных испыханий- 3. ме ;

хода определения предельных погрешностей- 4. мехода схахисхи ческих испыханий. Из-за сложного многопарамехрического вида п о лученной модели (Z.69) для ее исследования наиболее приемлемым оказываехся меход определения предельных погрешносхей. Производихельносхъ поршневого компрессора Gсвязана с геомехрическими и силовыми факхорами и парамехрами процесса п о ;

лихропического скахия уравнением (z.69) — из уравнения С 2.69) хакже видно, чхо производихельносхъ зависих еще и ох геомехри ческих парамехров дехалей и узлов компрессора, однако д е й с х ;

вие эхих парамехров учихывахь не будем, хак как в силу хорошей прирабахываемосхи поршневых колец[47,ео, 7:^ъ охсухсхвия месхных отклонений ох правильной формы дехалей сопряжений поршень-ци линдр схупени низкого и высокого давления при изгоховлении [55, 60, 75№^3энные парамехры оказываюх незначительное влияние на производихельносхь п р изменении геомехрических и силовых факхоров. В общем виде зависимость производительности С .(^тах получим.

заменяя производные конечно-разностными отношениями и учиты вая, что TG=2Au, а /^ =/22', окончательный вид выраже ния (^.S) будет Для коэффициента подачи, А ' Предельные отклонения значений геометрических и силовых факторов, определяющие точностные параметры, необходимо рассчи тывать из условия обеспечения эксплуатационных показателей в пределах, установленных технико-экономическими требованиями. Увеличение отклонений факторов приводит к ухудшению сред них показателей в серии компрессоров, но, с другой стороны, уменьшение отклонений этих факторов приводит к большим трудо затратам при сборке компрессоров из-за усложнения технологии сборки, а также необходимости обработки деталей по более жест ким допускам. Следовательно, при определении предельных значе- 153 ;

НИИ силовых и геометрических факторов решить задачу поиска не которого технического оптимума при наличии ограничений, обу словленных технико-экономическими показателями компрессора, а также уровнем технологии изготовления и сборки компрессора. Для разработки расчетной математической модели качества поршневых компрессоров составлена программа на алгоритмическом языке ПЛД (Приложения 7 — 8). При этом приращения проходных с е чений fiy} вычислялись на длине У = 5−69 мм по продольным обра зующим цилиндров низкого и высокого давления. Площади переменных сечений fly), обусловленные искажением зеркал цилиндров представ лялись ступенчатыми функциями, которые на ширине уплотнения постоянны и оцениваются величиной минимального проходного сече ния: изменении факторов «^{{,^1^ ^ пределах рассчитанных полей допус ков меняется ^ в l, Z9-i, 53 раза, а действие отклонений фактора Z' приводит (по сравнению со значениями, соответсвущими ?^) к увеличению отношения ]с на Я5'-зо%, при этом найденные по результатам экспериментальных исследований и рас чета утечек Оут коэффициентыⁱ и /f/ равнялись: Ki^OJO%;

Kf^ O.ZiB.Ha рис. ^5−4'.4^ представлены результаты расчета на ЭВМ. Их анализ показывает, что для того, чтобы уменьшить рассеяние ос новных эксплуатационных показателей компрессора до уровня* уста новленного по техническим условиям 314.00.00.000 ТУ, необходимо рациональным образом выбрать ограничения на, Ж^, Z^, z’la, .Пределы изменения liy, выбирались из анализа графических диапазоне 2^ = 30−50 Нм носят линейный характер, а в диапа зоне = 50−60 Нм уже нелинейны. Вследствие этого, ограни чиваясь линейным участком, т. е. устанавливая предельные откло нения «^ib^xnc = 50 Нм, i? a, w6/j = 30 Нм при сборке компрессо ра, рассеяние производительности Q. и утечек^УТ тогда снижается соответственно на 1,4% и 24%• Ограничения на отклонения геометрических факторов определя ются из условия уменьшения деформативности втулок цилиндров В соответствии с результатами работ|4'^.М, М]для снижения влияния отклонений геометрических факторов 2'ц, ^'ц необхо димо обеспечить выполнение условия J, А ^ / (4.10) Установленные по третьему классу точности допуски на сво бодные размеры втулок определяют пределы отклонений факторов^И •^а = ^ 1"5 мм» причем рассчитываемое соотношение (5^) примерно равно I. Поэтому для снижения неравномерности жесткости стенок цилиндров можно для удовлетворительного выпол нения условия {^. 10} ограничить рассеяние размеров необрабатыва емых поверхностей по второму классу точности (ГОСТ 1855−55), Ю 20 30⁰ Рис. 4. I. Изменение площади проходного сечения по длине хракха уплохневия схупени высокого давления 60 у мм Рис. 4 .2. Изменение площади проходного сечения по длине хракха уплохневия схупени низкого давления.

0,п/тн.о кг/мин.so ifO so • I^Htl Рис. 4.3. Зависимость производительности компрессора ^ от геометрических (? ц" ^хг) и силовых (I ^ факторов (I.IZ2=^2'^II'?I2* ^'^ «?2= = Z2IZXI"ZI2=5,2_MH- 1.3 -^2=^2'^ II'^ 12= =4,4 мм).

Qyin/MUH.Gyi, кг/пии.Рис" 4"4. Зависимость утечек из картера компрессора ^ от гвомвтрических_(2JJ, 2^^) и силовых {^2) ут, факторов (! • ! -2р*2р, 1тт • ^ 2 t i l ' «1²- _ _ __.

1,4 -Я2″ ^11″ Hj2= f^^ MMj 1.5 — для ступени.

а следовательно, задать диапазон отклонений факторов г^^, sc^^ в пределах ± 0,8 мм. При этом из рис. 4.3−4.4видно, что в данных пределах измене ния г^^, z[^ рассеяние производительности и суммарных уте чек снижается соответственно на 1, 4 и 24%• Таким образом, если задать ограничения геометрических и силовых факторов в указанных пределах при проектировании, а также при соответствующем технологическом и метрологическом обеспечении на стадиях изготовления и эксплуатации, то можно снизить диапазон рассеяния основных показателей компрессораФ 4. 2. Разработка методов повышения качества порневых компрессорных машин На основании теоретических и экспериментальных исследований были разработаны рекомендации по повышению качества поршневых компрессоров высоковольтных комплектных распределительных устройств. В частности для уменьшения деформаций цилиндров д о пуски на габаритные размеры блока цилиндров ступеней высокого и низкого давления рекомендовано назначать не по третьему классу, как это принято на предприятии-изготовителе, а по второму клас су точности погост 1855−55. Этой же цели служат рекомендации, направленные на введение контроля разностенности блока цилинд ров стенконерани с индикаторными головками типа СМТ — 30 по ГОСТ II95I — 66, а также контроля равномерности усилий затяжки шпилек резьбовых соединений крышки блока цилиндров с применени ем тарированного ионентного ключа по ГОСТ 7668–54. Рекомендовано момавт затяжки шпилек ограничить величиной 50 Нн. Точность формы и шероховатость поверхности цилиндров необхо димо ограничить следукщими значениями:

— отклонение от круглоети цилиндра ступени низкого давле ния-не более 15 мкм, что составляет Z5% от поля допус ка- • отклонение от круглости цилиндра ступени высокого давле ния-не более 10 мкм, что составляет -^30% от поля допус ка. Шероховатость поверхностей цилиццров обеих ступеней должна соответствовать Ra ^ ^"^ мкм, Рекомендуется также осуществлять выборочный контроль точнос ти размеров и формы цилиндров с использованием разработанной ав тором измерительной системы с электромагнитными преобразователя ми, 4. 3. Внедрение результатов исследований в промышленность Теоретические и экспериментальные исследования проводились по договору о творческом сотрудничестве между МВТУ имени Н. Э. Баумана и Специальным конструкторско-технологическим бюро по высоковольтной и криогенной технике Мосэнерго (СКТБ ВКТ);

разработчиком и изготовителем вакуумво-компрессорных установок ВКУ-0,4/10.В настоящее время в Специальном конструкторско-технологичес ком бюро по высоковольтной и криогенной технике Мосэнерго внедре ны или приняты к внедрению следующие методики и нормативно-тех нические материалы: • FTM по точностным расчетам основных деталей и узлов поршневых компрессоров- • рекомендации по допустимым отклонениям формы и шерохова тости поверхностей деталей цилиндро-поршневой группы- • рекомендации по величинам предельных моментов затяжки шпилек резьбовых соединений крышки блока цилиндров.

компрессора- • методика измерения и контроля размеров и формы цилиндров в процессе сборки компрессоров- • методика измерения и контроля величин зазоров цилиндро поршневой группы компрессоров- • методика измерения и контроля температурных и силовых де формаций компрессоров. На предприятии также используется разработанный автором бесконтактный метод измерений геометрических параметров деталей компрессоров, основанный на применении измерительной системы с электромагнитными преобразователями. Внедрение результатов исследований позволило значительно улучшить основные показатели качества порневых компрессоров ва куумно-компрессорных установок. Так по данным СКТБ ВКТ долговеч ность компрессоров повысилась на 10%, стабильность по произво дительности на 1,4%, расход смазки уменьшился на I %• При этом на I час увеличился межрегенерационный период работы алюмогеле вых фильтров вакуумно-компрессорной установки. Экономический эффект от внедрения результатов исследований на предприятиях СКТБ ВКТ и НПО «ЭЛЕКТРОАППАРАТ» Минэлектротехпро ма СССР, рассчитанный на основании «Типовой методики по определе нию экономического эффекта новой техники в электротехнической промышленности», «Типовой методики определения эффективности ка питальных вложений» и «Методики определения экономической эффек тивности стандартизации» составит 41.461 руб. в год U06J07, i0S]. Акты внедрения представлены в приложении I. ОБЩИЕ ВЬВОДЫ I. Анализ Литературных и производственных данных показал, что надехносзъ и долговечное хь ВЫСОЕОВОЛЬХНЫХ комплеЕхных распре делихедьных усхройсхв в значихельвой схепени определяехся качесх вом функционирования поршневых компрессоров. В свою очередь к, а ;

чесхво функционирования (эффекхивность, энергоемкость и др .) за висих ох хочносхи изготовления и сборки, применяемых методов хех ;

нического конхроля, а также хемпературных и силовых деформаций дехалей компрессоров*.

2* Теорехическими и эксперименхальными исследованиями усха новлено, чхо размеры, форма и взаимное расположение поверхносхей дехалей поршневых компрессоров, полученные в резульхахе механи ческой обрабохки, изменяюхся под дейсхвием силового нагружения и температурного поля. Так отклонения формы зеркал цилиндров при этом могут достигать 25−33% от допуска на размер, что приводит к повышенному износу втулок цилиндров и досрочному выходу компрес соров из строя.3. Разработанная авхором измерихельная сисхема с элекхромаг нихныни преобразователями позволила измерять и контролировать первоначальную хочносхь изгоховления и сборки дехалей, а хакже изменение указанной хочносхи под дейсхвием хемперахурных и сило вых деформаций* Охносительная погрешность предложенной измерихель ной сисхемы не превышает 4 -5%•.

4* В результате моделирования деформированного состояния втулок цилиндров получено уравнение, устанавливающее величину проходного сечения в поршневом уплотнении в любой момент време ни при дейсхвии силового нагружения и хемперахурного поля* Полу ченная зависимосхь позволяех рассчихажь и прогнозироваагь величи ну утечек за термодинамический цикл и, следовательно, эксплуаха- 162 ;

ционные показахели коипрессора*.

5. ЭкспериыенхалБНые исследования по определению факхической хочносхи изгоховления и сборки дехалей позволили усхановихь ра циональные размерные связи между геомехрическини паранехрами элененхов поршневых компрессоров, чхо уменьшило объем подгоноч ных и регулировочных рабох при сборке на 12−17%.6. В резульхахе исследований с использованием хеории хочнос хи и хеории упругосхи получена расчехная махематическая модель изменения э$фекхивносхи (производихельносхи и коэффициенха по дачи) в зависимоехи ох хочносхи изгоховления и сборки, хемпе рахурных и силовых деформаций дехалей, чхо позволило управляхь качесхвон поршневых компрессоров на схадии производсхва. Проведенными на ЭВМ расчехами усхаиовлено, чхо охклонение хочносхи изгоховления и сборки дехалей на 20−40% ох их номиналь ных значений приводих к увеличению ухечек на 19−47% и, соохвех схвенно, к дополнихельнын захрахам при эксплуахации компрессора.7. В резульхахе хеорехических и эксперименхальных исследо ваний разрабоханы меходы повышения качесхва поршневых компрессо ров, основанные на рациональном назначении хочносхи размеров и формы дехалей с учехом хемперахурных и силовых деформаций.8. Внедрение резульхахов исследований позволило значихельно улучшихь основные показахели качесхва поршневых компрессоров ва куумно-компрессорных усхановок. Так, по данным СКТБ ВКТ долго вечносхь компрессоров повысилась на 10%, схабильносхь по про изводихельносхи на 1,4%, расход смазки уменьшился на I %. При эхом на I чао увеличился межрегенерациовный период рабохы алюио гелевых фильхров вакуумно-конпрессорной усхановки.9. Экономический эффекх ох внедрения резульхахов исследова ний на предприяхиях ОКЧБ ВКТ и НПО «ЭЛЖТРОАППАРАТ» Минэлекхро- 163 ;

техпрона СССР, рассчитанный на основании «Типовой методики по определению экономического эффекта новой техники в электротех нической проншленности», «Типовой методики определения эффек тивности капитальных вложений» и «Методики определения экономи ческой эффективности стандартизации» составит 41.461 руб. в год,.