Лабораторная работа № 1

Архангельский Лесотехнический институт

__________________________________________________________

Кафедра котельных установок и тепловых станций

А. И. Егоров

М а л ы й п р а к т и к у м

П о т е п л о в ы м д в и г а т е л я м

Архангельск

(Реставрация 2005)

Лабораторная работа № 1

И Н Д И К А Т О Р Ы И П И М Е Т Р Ы

Цель работы. В процессе наладки и эксплуатации поршневых машин (паровых машин, двигателей внутреннего сгорания, поршневых компрессоров и насосов) часто возникает необходимость в определении мощности, развиваемой в отдельных цилиндрах, и в установлении вида реальных термодинамических процессов, по которым происходят изменения параметров рабочего тела. Для решения этой задачи в технике пользуют индикаторы, пиметры и др. устройства.

Основной целью настоящей работы является ознакомление студентов с устройством и принципом действия индикаторов и пиметров, служащих для индицирования цилиндров поршневых машин.

И Н Д И К А Т О Р Ы

Большое распространение в своё время получили механические индикаторы различных систем. Эти индикаторы предназначались для индицирования сравнительно тихоходных машин. Только в этом случае возникающие при их работе инерционные силы не оказывают заметного влияния на точность записи индикаторной диаграммы. С повышением быстроходности машин точность записи уменьшается, и при достижении числа оборотов вала в минуту до 1000 и более обычные механические индикаторы становятся практически непригодными. Весьма затрудняет работу поршневых индикаторов и высокая температура рабочей среды, образующейся в двигателях внутреннего сгорания.

Отмеченные выше соображения привели к разработке и к использованию индикаторов, работающих на тензометрических датчиках с электронной схемой усиления сигнала, а также к широкому применению индикаторов, использующих другие принципы записи и усиления.

Механический индикатор «Майгак»

Индикатор служит для записи изменения давления от положения поршня внутри цилиндра поршневой машины с невысоким числом оборотов. Индикатор состоит из двух основных узлов: узла фиксирования изменения давления в цилиндре и узла, имитирующего ход поршня. Узел, предназначенный для фиксирования давления, состоит из цилиндра со сменной рабочей втулкой и поршнем, спиральной пружины, нагружающей поршень, и системы передачи движения записывающему «карандашу», сконструированной таким образом, что карандаш индикатора имеет прямолинейно-возвратное движение. (рис. 1)

Сменные рабочие втулки и поршни, а также сменные с различной жёсткостью пружины дают возможность использования одного индикатора в широком диапазоне давлений. Полость под поршнем индикатора сообщается через трехходовой кран с исследуемой полостью цилиндра.

Рис.1. Узел передачи давления. 1 - поршень двигателя; 2 - цилиндр двигателя; 3 - цилиндр индикатора; 4 - сменная втулка; 5 - сменный поршень; 6 – шток; 7 - сменная спиральная пружина; 8 - записывающее устройство; 9 - трёхходовой кран; 10 – барабан с индикаторной бумагой

Узел, предназначенный для имитации хода поршня, состоит из ходоуменьшителя (рис.2) рычажного (а) или барабанного (б) типа, передающей системы и барабана с внутренней пружиной.

На барабане с помощью специальных держателей закрепляется бумага, предназначенная для записи процесса изменения давления внутри цилиндра как функции хода поршня.

Барабан индикатора под действием шнура совершает неполные повороты в одну и другую стороны в зависимости от направлений движения поршня. Угол поворота в соответствующем масштабе отражает ход поршня.

Шнур к барабану

Рис. 2. Ходоуменьшители.

1 - барабан индикатора; 2 – шнур; 3 - рычаг; 4 – барабаны ходоуменьшителя

а б

Итак, высота подъёма карандаша записывающего устройства соответствует давлению внутри цилиндра в рассматриваемый момент времени, а угол поворота барабана – пути, пройденному поршнем в этот момент. На бумаге, закреплённой на барабане индикатора, карандашом записывающего устройства будет нанесена кривая, изображающая в некотором масштабе зависимость изменения давления внутри цилиндра как функция пути, пройденного поршнем, то есть P=f(x). Если учесть, что - есть объём, описанный поршнем в рассматриваемый момент времени (d – диаметр поршня, x – путь, пройденный поршнем), то в другом масштабе полученная кривая даст зависимость P=f(V). Эта кривая и является искомой индикаторной диаграммой.

Индикаторная диаграмма в зависимости от конструкции ходоуменьшителя, связи между числом оборотов вала и числом двойных ходов поршня индикатора, может иметь свёрнутый или развёрнутый вид (рис. 3).

Рис.3. Виды индикаторных диаграмм. Свёрнутые диаграммы поршневой паровой машины (а) и двигателя внутреннего сгорания - (б); развёрнутая индикаторная диаграмма двигателя внутреннего сгорания - (в)

Механический индикатор МИ-1

Принцип действия механического индикатора МИ-1 практически одинаков с выше рассмотренным индикатором «Майгак». Существенное отличие от индикатора «Майгак» состоит в использовании консольных пружин. Малые размеры цилиндра индикатора и высокая жёсткость консольных пружин дают возможность использовать этот индикатор для регистрации высоких рабочих давлений газовой смеси. На рис. 4 показана схема и внешний вид этого индикатора.

Рис. 4. Схема и внешний вид индикатора МИ-1. 1 – консольная пружина; 2 – шток; 3 – поршень; 4 - корпус индикатора

Индикатор МАИ – 2

Индикатор МАИ – 2 является электропневматическим стробоскопом и наиболее полно отвечает требованиям, предъявляемым к способу индикации современных поршневых машин. Индикатор МАИ – 2 предназначен для индицирования поршневых машин, работающих с числом оборотов до 5000 об/мин и с изменением давления в рабочем пространстве поршневой машины от 0,08 до 15 МПа. Индикатор обеспечивает запись диаграмм в 10 различных масштабах по оси давлений путём подбора сменных пружин и плунжерных пар. Точность записи составляет ±1,5%.

Индикатор состоит из четырех основных узлов, связанных между собой электрическими и пневматическими связями: первый узел – набор приёмников давления, второй – записывающая часть индикатора, третий – отметчик мёртвых точек, четвёртый – пульт управления. Схемы механической, электрической, пневматической и гидравлической связи узлов показаны на рис. 5. На этом же рисунке можно проследить взаимодействие узлов при индицировании.

Записывающая часть индикатора через промежуточный валик и муфты связана с коленчатым валом двигателя, вследствие чего барабан записывающей части вращается синхронно и синфазно с валом двигателя.

Приёмник давления 1 является чувствительным элементом индикатора. Он разделён гибкой мембраной на две полости. Одна полость (а) сообщается с индицируемым пространством двигателя, вторая (б) - с пневматической системой, сообщённой в свою очередь с резервуаром сжатого воздуха. Манипулируя вентилями, в полости 2 можно создать любое давление. Таким образом, мембрана находится под давлением двух сред. По мере повышения давления в полости а в полости б произойдет прогиб мембраны и замыкание ее с контактом приемника, а это послужит сигналом для срабатывания фиксирующего устройства.

Рис. 5. Схема индикатора МАИ – 2

Устанавливая различное давление в полости б, одновременно устанавливается такое же давление в рабочей полости плунжерной пары, перемещающей искровой разрядник 3 и преодолевающей сопроти­вление пружины (вдоль вертикальной ординаты – ординаты давле­ния). Если обозначить давление в полости а – P_а, а в полости б – P_б, то при наступлении момента P_б ≥ P_а, произойдет разрыв контакта в приемнике давления. Электрический импульс из приемника давления, усиленный в тиратронном преобразователе, дает искру между наконечником разрядника и барабаном. Искра пробивает в бумаге отверстие (одно за цикл работы двигателя). Изменяя плавно давление Р_б в пределах изменения рабочего давления Р_а можно получить кривую (индикаторную диаграмму), "написанную" точками от электроразрядов. Кроме этой основной кривой на диа­грамму наносят и другие линии, соответствующие тарировочным условиям (линию атмосферного давления, отметки мертвых точек и т.п.) Индикатор МАИ-2 дает развернутую диаграмму (рис. 6).

НМТ

Рис.6. Вид индикаторной диаграммы, полученной индикатором МАИ-2

На индикаторных диаграммах поршневых двигателей сравнительно легко можно проанализировать все основные процессы за цикл (всасывание, сжатие, горение топлива, расширение газов, выхлоп), определить работу расширения и работу сжатия, вы­числить внутреннюю (индикаторную) работу за цикл и мощность, развиваемую в цилиндре двигателя.

П И М Е Т Р Ы

Кроме разобранных типов индикаторов, имеющих большое распространение в технике, при отладке многоцилиндровых машин иногда исполь­зуются пиметры. Эти показывающие приборы дают возможность без съемки индикаторной диаграммы судить о среднем давлении в цилин­дре, а косвенно и о мощности, развиваемой каждым цилиндром ма­шины. Так как давление в цилиндре, ход и диаметр поршня при известном числе оборотов вала определяет мощность, то равенство показаний пиметра для всех цилиндров одной машины указывает на равенство мощностей, развиваемых в цилиндре, и на равенство усилий, действующих на каждую шейку коленчатого вала. Надо только иметь в виду что пиметры - приборы недоста­точно точные, и суждения, вынесенные на основе их показаний, является приближенными.

Содержание лабораторной работы

За отведенное для лабораторной работы время студент обязан ознакомиться с устройством и действием индикаторов и пиметров, пользуясь индикаторами, их описанием и инструкциями по их эксплуатации, произвести проверку правильности записи индикатора на специальном стенде (рис. 7).

Рис.7. Схема экспериментальной установки (а) и представления результатов опытов (б)

Для исследования правильности записи давлений индика­тором используется пресс, которым пользуются для проверки манометров. По отметкам, сделанным карандашом индикатора на индикаторной бумаге при различных давлениях, строят прямоли­нейную (рис.7 б) зависимость P=f(h) и находят масштаб пружины, мм/кг.

Отчет о работе

В отчете должны быть представлены тарировочная зависимость по определению масштаба пружины схемы приборов и узлов и дана их краткая характеристика.

Из отчета и защиты должно быть ясно, что студент зна­ет устройство и правила использования индикаторов и пиметров.