朱瑞林 朱國(guó)林

(湖南師范大學(xué)工學(xué)院) (江西公安?？茖W(xué)校))

過(guò)程強(qiáng)化裝置的偏心轉(zhuǎn)子與活塞的接觸方式對(duì)設(shè)備運(yùn)行的影響＊

朱瑞林＊＊朱國(guó)林

(湖南師范大學(xué)工學(xué)院) (江西公安?？茖W(xué)校))

探討了過(guò)程強(qiáng)化裝置的偏心轉(zhuǎn)子與活塞點(diǎn)接觸時(shí),設(shè)備在運(yùn)行過(guò)程中長(zhǎng)度與壓力的變化規(guī)律;并提出了消除這種變化的措施。

過(guò)程強(qiáng)化 偏心轉(zhuǎn)子 壓力

0 前言

要產(chǎn)生振蕩運(yùn)動(dòng),可利用偏心轉(zhuǎn)子。作為一種機(jī)械裝置,偏心轉(zhuǎn)子可用于許多機(jī)器設(shè)備中。但不論是現(xiàn)有技術(shù)或理論,都沒(méi)有注意到偏心轉(zhuǎn)子實(shí)際上只保證其圓心在某個(gè)方向作簡(jiǎn)諧振動(dòng),某些情況下并不能保證由轉(zhuǎn)子驅(qū)動(dòng)的構(gòu)件 (如活塞)作同樣的簡(jiǎn)諧振動(dòng)以及由此引起的相關(guān)問(wèn)題,如由轉(zhuǎn)子驅(qū)動(dòng)的兩活塞內(nèi)端面之間的距離不能保持恒定從而影響設(shè)備內(nèi)介質(zhì)的壓力、不能消除轉(zhuǎn)子因傾斜造成的橢圓度影響等。本文研究一種改進(jìn)的轉(zhuǎn)子機(jī)構(gòu),其特點(diǎn)是:必要時(shí)可使由轉(zhuǎn)子驅(qū)動(dòng)的構(gòu)件 (如活塞)作與轉(zhuǎn)子中心同頻率 (周期)、同振幅的簡(jiǎn)諧振動(dòng),并使由轉(zhuǎn)子驅(qū)動(dòng)的兩活塞內(nèi)端面之間的距離保持恒定,從而消除對(duì)設(shè)備內(nèi)介質(zhì)壓力的影響。

1 塑性區(qū)深度的討論

圖1所示的是利用轉(zhuǎn)子機(jī)械裝置驅(qū)動(dòng)活塞以產(chǎn)生振蕩運(yùn)動(dòng)的一種過(guò)程強(qiáng)化裝置,其技術(shù)方案是[1]:在過(guò)程設(shè)備 1(內(nèi)設(shè)擋板 2)上設(shè)置與之密封配合的轉(zhuǎn)子機(jī)械振蕩裝置,使過(guò)程設(shè)備內(nèi)的流體形成湍流或充分混合,以強(qiáng)化工藝過(guò)程。振蕩裝置主要由活塞 3與圓柱轉(zhuǎn)子 4構(gòu)成,轉(zhuǎn)子對(duì)稱斜置,形成相位差 180°的偏心距,此即活塞振幅。將轉(zhuǎn)子橫截面繪于圖 2,由圖 2不難推得點(diǎn)接觸 (即活塞桿直接或通過(guò)接觸球 7與轉(zhuǎn)子接觸)時(shí),在任意時(shí)刻,左活塞的位移是:

式中 z——活塞桿末端與轉(zhuǎn)子的接觸點(diǎn) i到活塞位移為 0的平衡線 0-0的距離,即為活塞內(nèi)端面的行程;

圖1 過(guò)程強(qiáng)化裝置

圖2 左轉(zhuǎn)子從使活塞處于最高位置旋轉(zhuǎn)到使其處于最低位置的橫截面

R——轉(zhuǎn)子橫截面半徑;

e——轉(zhuǎn)子偏心距;

β——轉(zhuǎn)子位置角度;

同理,點(diǎn)接觸時(shí)在任意時(shí)刻右活塞的位移是

顯然式(1)、式(2)均不是簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng) ecosβ。

經(jīng)研究得知,只有轉(zhuǎn)子頂點(diǎn) d(參閱圖 3)的位移是簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng) ecosβ。為了讓這一簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)傳遞給活塞,經(jīng)分析,發(fā)現(xiàn)需要加一切線,即在活塞桿末端增加一接觸件 8,如圖 3(b)所示,使接觸件與轉(zhuǎn)子的橫截面相切,而接觸件的增加并沒(méi)有使結(jié)構(gòu)復(fù)雜起來(lái)。加接觸件后,活塞的位移才是 ecosβ[2],它與未加接觸件時(shí) (通過(guò)接觸球與轉(zhuǎn)子接觸,即點(diǎn)接觸)的位移實(shí)際上不同,有一差距 ,如圖 3所示。

圖3 點(diǎn)接觸與切線接觸的比較

只有加了接觸件后,活塞的位移才是簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)ecosβ;只有活塞的位移是 ecosβ,才能保證設(shè)備體積不變,從而保證設(shè)備內(nèi)流體的體積在設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中始終保持不變。分析如下:

參閱圖 2、圖 3,在任意時(shí)刻 (任意位置)時(shí),切點(diǎn) d點(diǎn)到 0-0線的距離,即加切線時(shí)左活塞的位移為 z=dk=cd-R=oc+od-R=oc=ecosβ。此時(shí)右活塞的位移必為 z′=-ecosβ(注意,兩轉(zhuǎn)子對(duì)稱斜置),故在任意時(shí)刻左、右活塞行程之和為 0,不會(huì)引起設(shè)備長(zhǎng)度的變化。點(diǎn)接觸則不然,此時(shí)令左、右活塞行程之和

若右活塞上升或下降的距離等于左活塞下降或上升的距離,則Δ應(yīng)為 0,所以Δ實(shí)際上也是任一時(shí)刻不同λ下兩活塞內(nèi)端面間的距離變化。顯然Δ并不恒為 0,這表示當(dāng)轉(zhuǎn)子與活塞點(diǎn)接觸時(shí),由于左、右轉(zhuǎn)子并不各自以簡(jiǎn)諧振動(dòng)規(guī)律運(yùn)行,故二者的位移并不完全對(duì)稱。由式 (3)知,Δ<0,這表示對(duì)圖 1所示的結(jié)構(gòu),機(jī)構(gòu)運(yùn)行過(guò)程中兩活塞內(nèi)端面間的距離始終略呈增大狀態(tài),不會(huì)引起設(shè)備內(nèi)介質(zhì)的壓力增加,但會(huì)引起壓力降低,適用于設(shè)備空間可略有增大的場(chǎng)合或空間的增大對(duì)過(guò)程影響不大的場(chǎng)合;對(duì)不允許設(shè)備內(nèi)的壓力減小的場(chǎng)合會(huì)有一定影響。若要使運(yùn)行過(guò)程中兩活塞內(nèi)端面間的距離呈縮小狀態(tài),只需相應(yīng)地改變轉(zhuǎn)子截面的幾何形狀。式 (3)還表明Δ以 90°為對(duì)稱,并在β=90°處為最大值 (負(fù)的),以 180°為周期。令

一些λ任一瞬間β處的δ如圖 4所示,δ也是受λ影響的,λ越大,即偏心距越大,δ越大。要改變?chǔ)牡拇笮?需調(diào)節(jié)λ。以 R=80 mm為例,設(shè)λ=0.5,于是 e=λR=40 mm,β=90°處Δ=δe=-0.5359×40=-21.4 mm,又設(shè)設(shè)備長(zhǎng)度 L=2000 mm,Δ/L=21.4/2000=1.07%,設(shè)備長(zhǎng)度有一個(gè)百分點(diǎn)的增長(zhǎng)。

圖4 一周內(nèi)δ受λ影響的規(guī)律

2 Δ和λ對(duì)壓力的影響

設(shè)備在運(yùn)行過(guò)程中不能保證體積始終不變會(huì)有什么不良后果呢?因?yàn)榱黧w的體積變化,就會(huì)引起其壓力發(fā)生變化,壓力變化不僅影響設(shè)備的正常運(yùn)行,而且影響產(chǎn)品的質(zhì)量和生產(chǎn)效率,特別是對(duì)壓力敏感的產(chǎn)品的生產(chǎn),影響是嚴(yán)重的。下面討論由于設(shè)備長(zhǎng)度變化導(dǎo)致體積變化所引起的壓力變化,以理想氣體為例,實(shí)際流體可以此作為參照。根據(jù)氣體體積與壓力的關(guān)系[3]有:

式中 p0——初始狀態(tài)的壓力

p1——設(shè)備運(yùn)行過(guò)程的壓力

V0——初始狀態(tài)的體積

V1——設(shè)備運(yùn)行過(guò)程的體積

由式 (5)得壓力降低系數(shù)為

由式 (7a)顯然可知,λ、η越大,壓力降低得越多。為了詳細(xì)看出λ、η對(duì)壓力的影響,將λ、η對(duì)m的影響規(guī)律例出如圖 5所示,也便于工程上的查圖。

圖5 λ、η對(duì) m的影響規(guī)律

就圖 5所示的幾個(gè)實(shí)例,壓力降最多時(shí),可達(dá)到 15%,所以在活塞桿末端加一與之垂直的接觸件很有必要。

3 結(jié)論

轉(zhuǎn)子與活塞桿端部點(diǎn)接觸時(shí),由轉(zhuǎn)子推動(dòng)的活塞的運(yùn)動(dòng)不是純簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng),這將使得設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中其長(zhǎng)度有所變化,從而引起設(shè)備內(nèi)流體壓力的變化。為使設(shè)備在運(yùn)行過(guò)程中其長(zhǎng)度恒定,可在活塞桿端部設(shè)置與活塞桿垂直的接觸件,使接觸件與轉(zhuǎn)子成切線接觸,這樣即可保證由轉(zhuǎn)子推動(dòng)的活塞作純簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng),從而消除設(shè)備運(yùn)行中流體壓力的波動(dòng)。

點(diǎn)接觸時(shí),設(shè)備內(nèi)流體壓力的波動(dòng)呈周期變化,以π為周期;壓力變化的大小與轉(zhuǎn)子偏心距(λ=e/R)和設(shè)備長(zhǎng)度 (η=R/L)有關(guān),λ、η越大,壓力降低得越多。本文給出了λ、η對(duì)壓力的影響規(guī)律示圖。

[1] 朱瑞林.一種工藝過(guò)程流體強(qiáng)化裝置 [J].石油化工設(shè)備,2006,35(1):68-71.

[2] 朱瑞林.一種轉(zhuǎn)子機(jī)械裝置 [P],中國(guó)專利:2006100843262.

[3] 韓德剛.物理化學(xué) [M].北京:高等教育出版社,2009.2.

＊國(guó)家科技部創(chuàng)新基金資助項(xiàng)目,編號(hào):09C26214305047。

＊＊朱瑞林,男,1962年生,博士,教授。長(zhǎng)沙市,410081。

2009-12-28)