過程強化裝置的偏心轉子與活塞的接觸方式對設備運行的影響＊

朱瑞林 朱國林

(湖南師范大學工學院) (江西公安專科學校))

過程強化裝置的偏心轉子與活塞的接觸方式對設備運行的影響＊

朱瑞林＊＊朱國林

(湖南師范大學工學院) (江西公安專科學校))

探討了過程強化裝置的偏心轉子與活塞點接觸時,設備在運行過程中長度與壓力的變化規律;并提出了消除這種變化的措施。

過程強化 偏心轉子 壓力

0 前言

要產生振蕩運動,可利用偏心轉子。作為一種機械裝置,偏心轉子可用于許多機器設備中。但不論是現有技術或理論,都沒有注意到偏心轉子實際上只保證其圓心在某個方向作簡諧振動,某些情況下并不能保證由轉子驅動的構件 (如活塞)作同樣的簡諧振動以及由此引起的相關問題,如由轉子驅動的兩活塞內端面之間的距離不能保持恒定從而影響設備內介質的壓力、不能消除轉子因傾斜造成的橢圓度影響等。本文研究一種改進的轉子機構,其特點是:必要時可使由轉子驅動的構件 (如活塞)作與轉子中心同頻率 (周期)、同振幅的簡諧振動,并使由轉子驅動的兩活塞內端面之間的距離保持恒定,從而消除對設備內介質壓力的影響。

1 塑性區深度的討論

圖1所示的是利用轉子機械裝置驅動活塞以產生振蕩運動的一種過程強化裝置,其技術方案是[1]:在過程設備 1(內設擋板 2)上設置與之密封配合的轉子機械振蕩裝置,使過程設備內的流體形成湍流或充分混合,以強化工藝過程。振蕩裝置主要由活塞 3與圓柱轉子 4構成,轉子對稱斜置,形成相位差 180°的偏心距,此即活塞振幅。將轉子橫截面繪于圖 2,由圖 2不難推得點接觸 (即活塞桿直接或通過接觸球 7與轉子接觸)時,在任意時刻,左活塞的位移是:

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

圖1 過程強化裝置

圖2 左轉子從使活塞處于最高位置旋轉到使其處于最低位置的橫截面

R——轉子橫截面半徑;

e——轉子偏心距;

β——轉子位置角度;

同理,點接觸時在任意時刻右活塞的位移是

顯然式(1)、式(2)均不是簡諧運動 ecosβ。

經研究得知,只有轉子頂點 d(參閱圖 3)的位移是簡諧運動 ecosβ。為了讓這一簡諧運動傳遞給活塞,經分析,發現需要加一切線,即在活塞桿末端增加一接觸件 8,如圖 3(b)所示,使接觸件與轉子的橫截面相切,而接觸件的增加并沒有使結構復雜起來。加接觸件后,活塞的位移才是 ecosβ[2],它與未加接觸件時 (通過接觸球與轉子接觸,即點接觸)的位移實際上不同,有一差距 ,如圖 3所示。

圖3 點接觸與切線接觸的比較

只有加了接觸件后,活塞的位移才是簡諧運動ecosβ;只有活塞的位移是 ecosβ,才能保證設備體積不變,從而保證設備內流體的體積在設備運行過程中始終保持不變。分析如下:

參閱圖 2、圖 3,在任意時刻 (任意位置)時,切點 d點到 0-0線的距離,即加切線時左活塞的位移為 z=dk=cd-R=oc+od-R=oc=ecosβ。此時右活塞的位移必為 z′=-ecosβ(注意,兩轉子對稱斜置),故在任意時刻左、右活塞行程之和為 0,不會引起設備長度的變化。點接觸則不然,此時令左、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應為 0,所以Δ實際上也是任一時刻不同λ下兩活塞內端面間的距離變化。顯然Δ并不恒為 0,這表示當轉子與活塞點接觸時,由于左、右轉子并不各自以簡諧振動規律運行,故二者的位移并不完全對稱。由式 (3)知,Δ<0,這表示對圖 1所示的結構,機構運行過程中兩活塞內端面間的距離始終略呈增大狀態,不會引起設備內介質的壓力增加,但會引起壓力降低,適用于設備空間可略有增大的場合或空間的增大對過程影響不大的場合;對不允許設備內的壓力減小的場合會有一定影響。若要使運行過程中兩活塞內端面間的距離呈縮小狀態,只需相應地改變轉子截面的幾何形狀。式 (3)還表明Δ以 90°為對稱,并在β=90°處為最大值 (負的),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δ的大小,需調節λ。以 R=80 mm為例,設λ=0.5,于是 e=λR=40 mm,β=90°處Δ=δe=-0.5359×40=-21.4 mm,又設設備長度 L=2000 mm,Δ/L=21.4/2000=1.07%,設備長度有一個百分點的增長。

圖4 一周內δ受λ影響的規律

2 Δ和λ對壓力的影響

設備在運行過程中不能保證體積始終不變會有什么不良后果呢?因為流體的體積變化,就會引起其壓力發生變化,壓力變化不僅影響設備的正常運行,而且影響產品的質量和生產效率,特別是對壓力敏感的產品的生產,影響是嚴重的。下面討論由于設備長度變化導致體積變化所引起的壓力變化,以理想氣體為例,實際流體可以此作為參照。根據氣體體積與壓力的關系[3]有:

式中 p0——初始狀態的壓力

p1——設備運行過程的壓力

V0——初始狀態的體積

V1——設備運行過程的體積

由式 (5)得壓力降低系數為

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

圖5 λ、η對 m的影響規律

就圖 5所示的幾個實例,壓力降最多時,可達到 15%,所以在活塞桿末端加一與之垂直的接觸件很有必要。

3 結論

轉子與活塞桿端部點接觸時,由轉子推動的活塞的運動不是純簡諧運動,這將使得設備運行過程中其長度有所變化,從而引起設備內流體壓力的變化。為使設備在運行過程中其長度恒定,可在活塞桿端部設置與活塞桿垂直的接觸件,使接觸件與轉子成切線接觸,這樣即可保證由轉子推動的活塞作純簡諧運動,從而消除設備運行中流體壓力的波動。

點接觸時,設備內流體壓力的波動呈周期變化,以π為周期;壓力變化的大小與轉子偏心距(λ=e/R)和設備長度 (η=R/L)有關,λ、η越大,壓力降低得越多。本文給出了λ、η對壓力的影響規律示圖。

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

[2] 朱瑞林.一種轉子機械裝置 [P],中國專利:2006100843262.

[3] 韓德剛.物理化學 [M].北京:高等教育出版社,2009.2.

＊國家科技部創新基金資助項目,編號:09C26214305047。

＊＊朱瑞林,男,1962年生,博士,教授。長沙市,410081。

2009-12-28)