МОДЕЛИРОВАНИЕ СИЛОВЫХ МЕХАНИЗМОВ МАШИН СТИРЛИНГА С УЧЕТОМ ТРЕНИЯ В СОПРЯЖЕНИЯХ

СП. Столяров, А. С. Столяров СПбГМТУ, Россия

Несмотря на то, что двигатели Стирлинга известны с 1816 г., до сих пор нет устоявшихся представлений о наиболее приемлемых типах и конструктивных решениях, относящихся к их силовым механизмам. В результате, в различных по назначению машинах Стирлинга широко применяются сочленения рабочих полостей с теплообменными аппаратами по а-,-,-схемам, а также по кольцевой схеме двойного действия. Наиболее часто в качестве силовых механизмов используются различные варианты кривошипно-шатунных механизмов, широко применяются также ромбические, кривошипно-кулисные, кривошипно-рычажные механизмы, наклонные и качающиеся шайбы, механизмы Росса, Эриксона и другие. Тип и конструкция силового механизма определяют схему действующих усилий, что проявляется в значительных различиях величины сил, действующих на подшипники и опорные поверхности, в том числе и на величину сил, обусловленных трением. В результате имеют место значительные различия в механическом КПД механизмов, и в случае отнесения к исходным данным эта величина подпадает под понятие недостаточно обоснованного параметра.

Не разработанной на научном уровне для машин Стирлинга остается и проблема обоснования конструкции поршневых и штоковых уплотнений. Выбор их типа и конструктивных особенностей необходимо производить с учетом потери мощности цикла на утечки, трение, тепловыделения непосредственно в рабочее тело.

В разработанной методике моделирование силовых механизмов поршневых машин Стирлинга основывается на классическом представлении структуры механизма в виде набора последовательно присоединенных групп Ассура. Главными особенностями методики являются заложенные в нее возможности учета трения в подшипниковых и уплотнительных узлах. В такой постановке уравнениям кинетостатического равновесия для групп Ассура присуща слабая нелинейность, как следствие, для решения системы уравнений целесообразно использовать итерационный метод Зейделя.

В общем случае силы трения определяются на основе инженерных справочных данных о коэффициентах трения в различных трибосопряжениях. Для подшипников скольжения при наличии жидкостной смазки используются зависимости гидродинамической теории. Для поршневых колец и штоковых уплотнений, работающих в условиях сухого и граничного трения, использованы зависимости молекулярно-механической теории И.В. Крагельского и Н.Б. Демкина, позволяющей учитывать параметры шероховатости поверхности. Моделирование смешанного и граничного трения производится также с использованием опытной аппроксимации кривой Штрибека-Гарси.

Разработанная методика была применена для моделирования силовых механизмов одноцилиндровых холодильно-газовых машин Стирлинга. Результаты расчетных исследований показали следующие значения механического КПД: для машины с ромбическим механизмом (-схема) - 90,5%, для машины со сдвоенным кривошипношатунным крейцкопфным механизмом (-схема) - 94,7%, для а-схемы - 79,%, длясхемы 85,3%.