Современное крупное высокотехнологичное производство трудно представить без использования последних разработок в области высокопроизводительного ручного инструмента. В настоящее время широчайшие возможности предоставляют ручной пневматический инструмент и пневматические системы. Несмотря на некоторое увеличение затрат на проектирование, приобретение и монтаж компрессорной станции и пневмолиний, многие производства, от крупных судостроительных верфей до небольших автохозяйств и сервисов, предпочитают пневматический инструмент электрическому. Это объясняется тем, что пневматический инструмент более безопасен, надежен, неприхотлив в эксплуатации и имеет более выгодные массогабаритные показатели.

В качестве преобразователя кинетической энергии сжатого воздуха в механическую энергию чаще всего используется ротационный пневматический двигатель [1]. Также в настоящее время имеются все основания говорить о микротурбинном приводе как о более выгодном, чем ротационный, за счет лучшей производительности [2].

У пневматического инструмента, кроме более высокой цены, имеются и другие недостатки по сравнению с электрическим инструментом. Один из них – это падение температуры рабочего воздуха турбинной ступени при его расширении. Это явление объясняется тем, что по термодинамическим условиям рабочего процесса в турбинном приводе рабочее тело, расширяясь, совершает работу. В данном процессе имеет место значительное понижение температуры. Падение температуры рабочего тела зависит от разности давлений рабочего тела до и после турбинной ступени, т.е. от степени срабатывания давления воздуха.

Цель исследования

Целью данного исследования является теоретическое изучение зависимости получаемой термодинамической работы воздуха, температуры отработавшего воздуха от степени срабатывания давления в приводе ручного пневматического инструмента.

Задачи, поставленные в исследовании:

1) вывести основополагающие термодинамические зависимости параметров рабочего процесса в микротурбинной ступени;

2) выбрать диапазоны данных и построить график зависимости перепада температуры от перепада давления;

3) проанализировать эффективность работы привода исходя из зависимости работы расширения воздуха в процентном соотношении от степени срабатывания давления.

Материал и методы исследования

В реальных условиях эксплуатации ручного пневматического инструмента с турбинным приводом упомянутый выше перепад температур играет чрезвычайно важную роль. Согласно основным законам теплопередачи поток воздуха, проходящий через сопловой аппарат и рабочее колесо турбинной ступени, имеющий низкую температуру, охлаждает корпусные детали инструмента. Эта особенность процесса расширения рабочего тела может привести к некоторым неудобствам в эксплуатации такого инструмента. А в зависимости от условий работы (степень срабатывания давления и температура сжатого воздуха, температура окружающей среды) может нанести травмы оператору из-за низких отрицательных температур деталей корпуса и рукояток инструмента [3].

Согласно «Санитарным Правилам и Нормам» (п. 3.5 «Гигиенические требования к температуре рукояток и их поверхности») температура поверхностей и рукояток ручных инструментов должна находиться в пределах от 21,5 до 43,5°С. При этом оптимальным является диапазон 25­–32° С.

Другими словами, при определенных условиях, например при больших перепадах давления в турбинной ступени или при низкой температуре окружающей среды, эксплуатация пневматического инструмента данного типа невозможна без некоторых конструктивных решений, обеспечивающих приемлемые значения температуры рукояток и деталей корпуса.

Из основ технической термодинамики известно, что быстропротекающие процессы сжатия и расширения воздуха с достаточной степенью точности можно считать адиабатическими, а сам воздух – идеальным газом [4]. Поэтому в исследовании использовались термодинамические зависимости применительно к адиабатическому процессу. Уравнение адиабаты идеального газа при условии, что теплоемкости воздуха Cv и Cp являются постоянными и не зависят от температуры:

(1)

Принятые допущения дают возможность получить соотношение между температурами и давлениями рабочего тела на входе в микротурбинный привод ручного пневматического инструмента (отмечены индексом 1) и на выходе из него (отмечены индексом 2):

(2)

По формуле (2), задав начальную температуру постоянной T1=300 K и переменное значение давления p2=0,1 … 0,73 Мпа, вычислим значения T2. Результаты представлены в таблице 1.

Согласно термодинамическим зависимостям, применительно к адиабатному процессу располагаемая работа определяется как:

; (3)

где k – показатель адиабаты;

R – газовая постоянная;

T1, T2 – температура в начале и конце расширения.

Далее произведем расчет величины располагаемой работы для различных вариантов конечного давления p2 в квазиэксергетическом подходе. Для оценки зависимости падения эффективности от перепада давления в процентном соотношении принимаем величину располагаемой работы за эталонные 100%.

При данном исследовании был принят интервал значений p2=0,1-0,73 МПа. Верхний предел взят исходя из параметров работы самых распространенных пневматических систем. У большинства производимых в настоящее время ручных пневматических машин рабочее давление сжатого воздуха составляет ~ 0,7 МПа. Нижний предел принят из тех соображений, что инструмент используется при атмосферном давлении, среднее значение которого составляет 0,1 МПа. Начальная температура T1 составляет 300 K как средняя температура сжатого воздуха в пневматической системе. Исходя из заданных выше интервалов и зависимостей (5) и (6) были составлены таблицы значений T2 и l при заданных значениях p2. Результаты представлены в таблице 1.

Таблица 1

Расчет параметров состояния воздуха при различных вариантах перепада давления

По данным таблицы 1 построены 2 кривые, характеризующие изменение температуры отработавшего воздуха и падение эффективности микротурбинного привода, выраженное в термодинамической работе расширения, в процентном соотношении.

Рис. 1. Зависимость располагаемой работы и температуры отработавшего воздуха от выходного давления

Выводы

Анализируя полученные графики зависимостей, можно сделать следующие выводы.

При полном срабатывании давления конечная температура T2 падает до низких отрицательных значений (–103°С), полученная работа расширения при этом принята за 100%.

При перепаде давления в турбинной ступени микротурбинного пневматического привода, равном нулю, работа расширения не совершается (l’=0), значение температуры не изменяется и равно t2=27°С.

Температуру рукояток пневматического инструмента с небольшими допущениями (в силу неидеальности рабочего процесса) можно считать приемлемой (t2≥10°) при конечном давлении p2=0,60-0,73 МПа. При этом термодинамическая работа расширения составляет менее 15% от теоретически возможной в данных условиях.

При повышении значения p2 эффективность привода резко понижается, т.е. для устранения проблемы сильного охлаждения корпуса и рукояток пневматического инструмента уменьшение степени срабатывания давления практически не имеет смысла.

В борьбе с переохлаждением деталей корпуса пневмоинструмента следует отдать предпочтение конструкторским решениям, таким как применение воздушных полостей в деталях корпуса, применение высокотехнологичных и пористых материалов для рукоятей. Все подобные меры должны быть направлены на понижение среднего коэффициента теплопроводности деталей корпуса и материалов рукоятей пневматического инструмента.

Заключение

В данном исследовании построены и изучены зависимости температуры отработавшего воздуха и эффективность работы сжатого воздуха от степени перепада давления в микротурбинном приводе. Приведены рекомендации по снижению отрицательного эффекта переохлаждения деталей корпуса и рукоятей пневматической ручной шлифовальной машины.

Рецензенты:

Зуев В.А., д.т.н., профессор, заведующий кафедрой «Кораблестроение и авиационная техника» НГТУ им. Р.Е. Алексеева, г. Нижний Новгород;

Ваганов А.Б., д.т.н., доцент, профессор кафедры «Аэрогидродинамика, прочность машин и сопротивление материалов» НГТУ им. Р.Е. Алексеева, г. Нижний Новгород.