Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса 8
1.1. Вакуумный режим доильных установок излияние его на показатели машинного
доения коров 8
1.2. Вакуумные насосы доильных установок и их классификация 13
1.3. Обзор работ по исследованию вакуумных насосов доильных установок 25
1.4. Основные направления совершенствования вакуумных станций доильных установок и
обоснование объекта исследований 36
2. Теоретические исследования пяти ступенчатых вакуумных насосов двукратного действия 43
2.1. Анализ работы насоса с радиальным расположением пластин 43
2.2. Анализ работы насоса с тангенциальным расположением пластин 46
2.3. Определение теоретического профиля образужцей рабочей ячейки 52
2.4. Анализ взаимодействия пластин с образующей корпуса насоса 55
Выводы 62
3. Программа и методика экспериментальных исследований 63
3.1. Задачи экспериментальных исследований 63
3.2. Описание приборов и экспериментальной установки 63
3.3. Методика, экспериментальных исследований 70
3.3.1. Методика исследовании рабочего процесса, вакуумного насоса 70
3.3.2. Методика, исследований коэффициентов трения пластин вакуумного насоса 72
3.3.3. Методика исследований объемной производительности насоса 75
3.3.4. Методика исследований энергетических показателей насоса 77
3.3.5. Методика определения оптимальных условий работы вакуумного насоса и обработки результатов 78
4. Результаты экспериментальных исследований и их анализ 87
4.1. Исследование рабочего процесса пластинчатого насоса двукратного действия 87
4.2. Результаты определения коэффициентов трения трущихся пар насоса 95
4.3. Зависимость объемной производительности насоса, от основных его рабочих параметров 99
4.4. Энергетические показатели насоса 107
4.5. Оптимизация режима работы пластинчатого вакуумного насоса двукратного действия НО
Выводы 123
5. Результаты производственной проверки вакуумного насоса 125
5.1. Исследование надежности работы насоса 125
5.2. Характеристика, вакуумного режима доильной установки при использовании экспериментального насоса 128
5.3. Оптимизация эффективности применения вакуумного насоса 129
5.4. Методика, расчета, вакуумного насоса двукратного действия 134
5.5. Экономическая эффективность использования вакуумного насоса, в доильных установках 139
Выводы 141
Общие выводы и приложения 143
Литература 145
Приложения,
- Вакуумные насосы доильных установок и их классификация
- Анализ работы насоса с тангенциальным расположением пластин
- Описание приборов и экспериментальной установки
- Исследование рабочего процесса пластинчатого насоса двукратного действия
Введение к работе
Решениями партии и правительства в нашей стране намечена широкая программа подъема сельского хозяйства, которая предусматривает в качестве одной из первоочередных задач увеличение производства молока [і,2І . Годовое производство его будет доведено к концу U пятилетки до 97...99 шш. тонн [з] . Это потребует значительного повышения продуктивности коров при одновременном росте их поголовья, создания прочной кормовой базы и постеленного перевода производства молока на промышленную основу.
Особое значение будет уделено созданию и внедрению новых типов машин, в первую очередь, доильных установок и более эффективных устройств к ним. Так как доильные устройства оказывают непосредственное воздействие на организм животных, то всякое нарушение режима их работы вызывает заболевание коров, приводит к снижению их продуктивности и преждевременной выбраковке. По этой причине ежегодные потери молока в нашей стране составляют около 8,5 млн.т, а убытки из-за маститов машинного происхождения превышают 500 млн. рублей [4,5] •
Неудовлетворительная работа доильных установок, как отмечают исследователи [б,7,8І , вызывается прежде всего нарушением их вакуумного режима. Постоянство вакуумного режима в процессе эксплуатации обусловлено производительностью вакуумного насоса, которая, в свою очередь определяется надежностью его деталей и узлов.
В доильных установках в настоящее время наибольшее распространение получили ротационные вакуумные насосы пластинчатого типа с эксцентричным расположением ротора. В то же время отличаясь более равномерной работой, простотой конструкции и технического обслуживания, эти насосы имеют невысокую производитель ность, которая, кроме того, в процессе их эксплуатации достаточно быстро снижается [9,10,11] . Широкое внедрение машинного доения и использование при этом высокопроизводительных доильных установок, требует для работы большого количества воздуха, откачиваемого из системы. Попытки создания пластинчатого насоса большей производительности имели место какгв.,:нашай стране, так и за, рубежом. Однако это связано с необходимостью увеличения размеров ротора и форсирования частоты его вращения, что еще больше увеличивает износ деталей насоса. В связи с этим целый ряд серийных доильных установок САДМ-8, УДЕ-8, УДТ-8 и др.) комплектуют несколькими вакуумными насосами. А на крупных животноводческих фермах и комплексах нередко монтируются силовые станции на основе целой батареи таких насосов. При этом, как правило, их суммарная производительность заметно снижается. Удовлетворительная работа доильных установок возможна только при условии устранения недостатков применяемых вакуумных насосов и создания на их основе насосов повышенной производительности. Поэтому возникла необходимость дальнейших исследований процесса работы ротационных пластинчатых вакуумных насосов и поиска путей повышения объемной производительности и эффективности их применения.
Цель настоящей работы - повышение объемной производительности ротационных пластинчатых вакуумных насосов и обеспечения на этой основе, заданных параметров вакуумного режима доильных установок.
Объектом исследований являлся технологический процесс создания разрежения в доильных установках и ротационный пластинчатый вакуумный насос двукратного действия для его осуществления.
В процессе исследований были получены следующие результаты, характеризующие научную новизну работы:
- установлены зависимости для определения объемной подачи пластинчатых вакуумных насосов с учетом кратности их действия и закономерности изменения межпластинча.тых ячеек;
- установлена, зависимость определения дуги схода пластин в зоне всасывания и определены возможности отрыва пластин от образующей корпуса;
- получена целевая функция степени влияния основных факторов на показатели удельной производительности насоса;
- оптимизирован режим работы насоса применительно к серийным доильным установкам.
В работе обоснован выбор наиболее рациональной схемы и принципа работы вакуумного насоса и определены требования к нему. Проведены теоретические и экспериментальные исследования рабочего процесса пластинчатого вакуумного насоса двукратного действия в зависимости от конструктивных, режимных и технологических факторов. Проанализировано влияние факторов на удельную производительность насоса, определены и обоснованы оптимальные параметры и режимы работы насоса.
Получены зависимости для определения профиля образующей внутренней поверхности корпуса такого насоса. Рассмотрена, динамика движения пластин, учитывающая влияние приложенных усилий и кинематических особенностей конструкций насоса.
Проведено индицирование рабочего процесса, вакуумного насоса, определено влияние на его производительность конструктивных параметров и их соотношений, выявлен рациональный температурный и эксплуатационный режим работы. Разработан метод повышения износостойкости пластин вакуумного насоса, основанный на применении пластин, изготовленных на основе эпоксидных композиций. Исследован характер движения пластин и определены режимы их устойчивой работы. Разработана методика инженерного расчета насоса.
Результаты теоретических и экспериментальных исследований проверены на макетном и производственном образцах пластинчатого вакуумного насоса двукратного действия в силовых станциях доильных установок типа УДС-ЗА и ДЦ-І00А.
Новизна некоторых технических решений рабочих органов плас-тинча.того насоса двукратного действия защищена авторским свидетельством Jfc 945496. Результаты исследований внедрены на фермах опытно-производственного хозяйства ВНИШЖЭСХ и колхоза им. Воен-совета СКВО Ростовской области. Материалы исследований и опытный образец вакуумного насоса двукратного действия переданы КБ ПО "1$п?ганселъмаш". Разработаны и внедрены предложения по повышению эффективности использования вакуумных насосов на фермах Ростовской области. Результаты исследований и предложения по совершенствованию насосов переданы также для использования в ГСКБ по комплексу машин для ферм крупного рогатого скота (г.Рига).
Это составило основное содержание диссертации, подготовленной автором для публичной защиты.
Вакуумные насосы доильных установок и их классификация
Известны разнообразные схемы и конструкции средств получения вакуума для машинного доения коров. По характеру воздействия на откачиваемый газ вакуумные насосы подразделяются на объемные и динамические. Вакуумные насосы и устройства динамического типа-это устройства в основном вторичного привода. Они имеют довольно низкий КПД, равный 0,1...0,25. Для обеспечения их работы требуются мощный компрессорные установки, в связи с чем, несмотря на кажущуюся простоту,они требуют больших затрат средств. Объемные вакуумные насосы работают на перемещении газов путем периодического изменения объема рабочей камеры, В машин 14 ном доении представителями их являются как поршневые, так и ротационные насосы. Поршневые вакуумные насосы (рис. I.I) подразделяются по типу рабочего органа на дисковые,плунжерные и мембранные. Рис. 1.1. Вакуумные насосы поршневого типа: (а) дисковый;, б)плунжерный; в)мембранный: 1 корпус;2-пор-шень; 3,4 и 5,6 - всасывающий и нагнетатель-. ные клапаны и патрубки;7-шатун;8-коленвал; 9- мембрана Они имеют огромную массу и геометрические размеры, высокую металлоемкость, рассчитаны на небольшое число оборотов, При монтаже таких насосов требуется сооружение мощных фундаментов, а при эксплуатации необходим хороший уход и обильная смазка. Кроме того, насосы такого типа имеют сложное устройство и быстроизнашивающиеся детали кривошипно-шатунного механизмя, механизма воздухораспреде-ления, часто выходят из строя и требуют значительных затрат на изготовление. Неуравновешенность движущихся масс насоса вызывает большой шум при его работе и отрицательно сказывается на долговечности деталей. Такие насосы неравномерно откачивают воздух, и поэтому требуют дополнительных устройств для выравнивания давления. Перечисленные недостатки вакуумных насосов поршневого типа потребовали отказаться от их производства и изучения эффективности пршяенения других источников разрежения. Исключение составляют небольшие по производительности поршневые насосы зарубежных фирм "Манус" (Англия), "Мї ЕІЛ " (ФИ1) и "Христенсен" (Дания), предназначенные в основном для работы одного доильного аппарата на мелких животноводческих фермах.
В настоящее время во многих странах мира получили широкое распространение более совершенные ротационные вакуумные насосы низкого давления и средней производительности. По конструктивным признакам ротационные вакуумные насосы разделяются на пластинчатые, с катящимся поршнем, водокольцевые, двухроторные и шланговые. Классификационная схема ротационных вакуумных насосов представлена на рис. 1.2.
Классификационная схема ротационных вакуумных насосов Фирмы "Манус" (Англия), "Ф.Ф. Вакуум-энааг" (ФГГ), "Шимодзу" (Япония) для машинного доения выпускают вакуумные насосы с катящимся поршнем (рис. 1.3). Достоинством насосов такого типа является небольшое количество зазоров, через которые воздух проникает в вакуумную систему. Однако они сложны по конструкции, требуют большой точности изготовления деталей, а наличие быстроизнашивающихся деталей и клапанов делает их менее надежными в эксплуатации. Движущиеся возвратно-поступательные части сильно изнашиваются в процессе работы и поэтому требуют обильной смазки. В Советском Союзе такие насосы применялись только в единичных случаях J49J . В некоторых хозяйствах нашей страны _50J находят применение в машинном доении коров промышленные водокольцевые вакуумные насосы с жидкостным поршнем (рис. 1.4). Эти насосы не имеют распределительного механизма, металлических трущихся поверхностей и не требуют смазки во время работы. Предусмотренное конструкцией гидравлическое уплотнение в этих насосах создает условия для снижения механического износа трущихся деталей. Однако такие насосы имеют довольно низкий КОД (0,48...0,52) в результате значительных гидравлических потерь в жидкостном кольце (75...8С$)ж требуют большого расхода воды (250... 1000 л/ч) ГбІІ . Кроме того, водокольцевые вакуумные насосы требуют дополнительных устройств (насосов) для подачи рабочей жидкости, отличаются жесткостью в работе, могут работать только при плюсовой температуре. При этом они имеют менее устойчивый режим работы, более высокие эксплуатационные затраты на единицу удельной производительности.
Анализ работы насоса с тангенциальным расположением пластин
Исследования рабочего процесса серийных пластинчатых вакуумных насосов, показали [53, 61,62,63,8 , что характер работы их во многом определяется утлом наклона пластин по отношению к радиусу ротора. Это уменьшает возможность заклинивания их в пазах ротора, увеличивает вылет пластин, а следовательно и срок их службы. Закон изменения объема рабочей ячейки в зависимости от угла поворота ротора определяется конструкцией вакуумного насоса. При определении производительности вакуумного насоса многократного действия изучена закономерность изменения площади поперечного сечения ячейки в зависимости от угла поворота г ротора:. [92j . Площадь поперечного сечения ячейки между соседними пластинами в зависимости от утла их поворота согласно приведенной расчетной схемы (рис. 2.2) определяется как сумма площадей Определим площади плоских фигур, входящих в формулу (2.15). Площадь / определяется как площадь рабочей ячейки между пластинами при их радиальном расположении по формуле Схема вакуумного насоса с тангенциальным расположением пластин где р —1 - радиус ротора в полярной системе координат; р - текущий радиус между центром ротора и точкой касания пластины с внутренней окружностью корпуса насоса при ее радиальном расположении (определяется по формуле (2.5). Площади / и 1. соответственно будут равны где р ДС - расстояние между нормалью, опущенной из центра ротора к пазу, и точкой касания пластин о внутреннюю окружность корпуса при повороте ротора на угол У , м; fy= Д С, - расстояние между нормалью, опущенной из центра ротора к пазу и точкой касания пластины о внутренюю поверхность корпуса при повороте ротора на угол (/+ м; Q-ОЛ - нормаль, опущенная из центра ротора к его пазу; V - угол наклона пластины относительно радиуса ротора насоса; ]/{tf) - угол между горизонтальной oomQfi/ и радиусом, выходящим из центра ротора в точку касания пластины с поверхностью корпуса. Уравнения прямой ДС и Д1 CjB полярной системе координат при повороте ротора на угол if и if (// имеют следующий вид: Atojrm-fltoflrttf ( + )-спитій (2.19) Проведя преобразования уравнений (2.19) и (2.20), для О и О получим ;з Sing+ - )] п= а J Sto[9 +i//-/WJ) (2 22) Для определения угла У( ) запишем уравнение прямой АС в декартовой системе координат у-хЦ(0 + 1р)-афЩ- (2.23, Решая его совместно с уравнением статора Х1ЧЦ-еІ=-& (2.24) и проведя ряд преобразований, для координат точки С получим выражения 4= /7 )- (2.26) Тогда hsb$+№$№tpHsLn( ) )+foN+4 )\lRl- [а ecosft«p)]l Изменение угла /( ) от поворота ротора имеет (см.рис 2.3 ) линейный характер.
Подставляя в (2.15) значения соответствующих площадей и проведя преобразования, получим зависимость для определения площади поперечного сечения рабочей ячейки насоса с тангенциальным расположением пластин в роторе Є І г 28) Sinfl-Hf-нр-ft) imtf + ip-fi) Вис. 2.3 Зависимость угла j4if) от угла, поворота, ротора С учетом толщины пластин выражение (2.28) принимает следую щее значение: : % -f (2.29) f= т (Sin г], -Sin гр - jtobfc\I el№l& lO& eaty, -г(агс$іпе- -агс5 ) -h г -h(ip). где S(l-f) - вылет пластины в зависимости от утла ее поворота,м. Согласно расчетной схеме зависимость вылета пластин от угла поворота имеет следующий вид Sftf) = arc Ц р+у-уМ] їСоії, (2.30) При =— + ХС SLPO Q определяется максималь ный вылет пластин $СР)тах = й й$(0.1сШф )-RCO$. (2.31) При повороте ротора на угол (о_ _ + -У- площадь поперечного сечения ячейки достигает своего максимального значения ІТогда теоретическая производительность пластинчатого вакуумного насоса многократного действия с тангенциальным расположением пластин определяется по формуле Действительная производительность такого насоса, приведенная к атмосферному давлению будет &n(9+ H/-ji) smfi -ji) ЩН)-т+і -ШЩЫг. 2.3. Определение теоретического профиля образующей рабочей ячейки Существенное значение для работы насоса имеет профиль кривой статора, который определяет кинематику и динамику пластины, закон ее движения. Свяжем подвижную систему отсчета (л Ч с вращающимся ротором насоса. Направим ось X вдоль оси вращающейся пластины, а ось У - вдоль оси ротора (рис. 2.4). Вращение этой системы является переносным движением. Относительное движение пластины по отношению к этой системе - ее поступательное движение в пазу ротора. В нашем случае переносное движение является равномерным вращением, тогда относительное движение точек пластины определяется уравнением
Описание приборов и экспериментальной установки
Программой экспериментальных исследований предусматривались проверка и уточнение теоретических положений, определение рада показателей пластинчатого вакуумного насоса двукратного действия, аналитическая оценка которых затруднена, а также обоснование оптимальных условий работы насоса. В связи с этим в задачи экспериментальных исследований входило: изучение процесса работы вакуумного, насоса, основанного на определении непрерывно изменяющегося в межпластинчатой камере давления в функции угла поворота ротора и характера движения пластин в пазах ротора и по образующей корпуса; определение основных физико-механических свойств материалов и деталей трущихся пар и выбор материала пластин исследуемого вакуумного насоса; - определение закономерностей изменения производительности вакуумной станции и показателей ее энергоемкости при варьировании основных параметров насоса; определение совокупного влияния основных факторов исследуемого насоса на его производительность методами планирования эксперимента и оптимизация эффективности использования его в составе современных доильных установок; проверка результатов аналитических исследований в производственных условиях. . Описание приборов и экспериментальной установки Экспериментальные исследования проведены на установке, схема которой представлена на рис. 3.1. Она включает в себя следующие основные узлы: вакуумный насос двукратного действия I, вакуумпровод 2, вакуумный регулятор 3, вакуумный баллон 4, электродвигатель постоянного тока 5 и измерительную аппаратуру. Установка оборудована станцией и пультом управления.
Для записи давления воздуха во вращающихся межпластинчатых камерах вакуумного насоса использовано бесконтактное устройство передачи информации с вращающегося вала [97j , выполненное по схеме, изображенной на рис. 3.2. Датчиком давления здесь служила мембрана I с нанесенным на нее тензосопротивлением. Мембрана размещалась в корпусе 3, который с помощью гайки был вмонтирован в углубление на поверхности ротора в межпластинчатом пространстве. Тензодатчик проводами соединялся через специальный канал в роторе с токосъемником 5, механически связанным с валом ротора. Сигнал с датчика давления усиливался усилителем 8АН4-7М и регистрировался осциллографом Н-І07. В опытах использовался ртутный токосъемник, позволяющий записывать высокооборотные процессы с наименьшими искажениями регистрируемого сигнала.
Производительность насоса замерялась с помощью ротационного газового счетчика FC-I00, а также индикатора производительности вакуумных насосов КИ-4840. Относительная погрешность измерений .-І 4%. Температура нагрева корпуса насоса замерялась с помощью хромель-капелевых термопар, установленных в местах всасывания, выхлопа и сжатия воздуха, компенсационного измерительного преобразователя температуры с последующей записью на ленте потенциометра Шй-4 [эв] . Температура окружающего воздуха и барометрическое давление измерялись барометром анероидного типа и регистрировались самопишущим барографом и термографом.
Частота вращения ротора регулировалась изменением частоты вращения вала электродвигателя постоянного тока и замерялась тахометром инерционного типа. _C рабочей ячейке вакуумного насоса: 1-мембрана с тензодатчиком; 2-корпус датчика; 3-ротор; 4- муфта;5- токосъемник Разрежение в магистрали измеряли с помощью проверенного вакууметра в комплекте с электронным прибором типа ЭШЩ, а также ртутным манометром. Оно регулировалось поворотом барабана на индикаторе производительности КИ-4840. Потребляемая насосом мощность при работе в заданном режиме измерялась трехфазным электроизмерительным комплектом К 50.
Исследование рабочего процесса пластинчатого насоса двукратного действия
Анализ осциллограмм изменения давлений в рабочей ячейке насоса (в объеме между соседними пластинами:) (рис. 4.1) показал, что разрежение в ней в зоне всасывания резко увеличивается до максимального. Наибольшее значение оно достигает в момент, когда рабочая ячейка имеет наибольший объем. [108] . При уменьшении рабочего объема между пластинами в процессе дальнейшего движения ротора и последующего сообщения с нагнетательным окном в результате сжатия газа в полости ячейки создает-; ся избыточное давление (точка С). Так как, в линии нагнетания насоса давление соответствует атмосферному, то в конце сжатия в рабочей ячейке давление также должно равняться атмосферному. В момент прохождения второй пластиной окна нагнетания эта ячейка на некоторое время сообщается с соседней ячейкой ротора, в которой Енс. 4.1 Диаграмма фаз воздухораслределения (а) и осциллограмма изменения давлении в рабочей ячейке насоса (б) 88 действует разрежение, из-за чего давление, как видно на осциллограмме, снижается до точки & . Затем начинается выталкивание газа из второй ячейки, давление сжатия воздуха передается и в первую ячейку, в связи с чем давление в ней увеличивается до точки і , после чего начинается уменьшение давления в первой ячейке до точки й . Отличительной чертой работы исследуемого насоса является отсутствие зоны "вредного" пространства, что имеет место у вакуумных насосов с эксцентричным расположением ротора (см. рис. 1.9). Отсутствие "вредного" пространства позволяет увеличить скорость откачки, степень разрежения и значительно сократить внутренние перетечки воздуха, а следовательно улучшить внешнюю характеристику насоса.
Давление в конце нагнетания в целом зависит от давления в нагнетательном патрубке, величины ; депрессии в ячейке и сечения нагнетательного окна. С учетом всего этого давление в конце нагнетания достигает 2,5 кПа, которое расходуется на преодоление сопротивлений в нагнетательном окне и патрубке.
Количество пластин насоса оказывает непосредственное влияние на характер изменения давлений в рабочих ячейках насоса. С уменьшением числа пластин сжатие воздуха в ячейке к моменту выхлопа становится недостаточным, из-за чего возможны обратные волны давления из нагнетательного трубопровода в насос. Данные о величине давлений в рабочей полости насоса в момент сообщения ее с нагнетательным окном при в - 10 мм (табл. 4.1) показывают, что., практически при всех принятых значениях углов всасывания и нагнетания в рабочей полости ячейки в момент сообщения ее с нагнетательным окном действует разрежение. Величина этого разрежения ниже при восьмилопастном роторе и меньших углах фаз воздухо-распределения. Однако значительное увеличение числа пластин в роторе нецелесообразно, так как это усложняет конструкцию насоса и ослабляет прочность элементов ротора. Таблица 4.1 Зависимость давления в рабочей ячейке насоса в момент сообщения ее с нагнетательным окном от числа пластин (частота вращения ротора 1440 мин , рабочее разрежение На длительность рабочих фаз насоса, как видно из табл.4.2, основное влияние оказывает число пластин в роторе и практически не влияет частота вращения ротора. Таблица 4.2 длительность рабочих фаз насоса в зависимости от числа пластин и частоты вращения ротора Характер изменения давлений в рабочей ячейке и производительность насоса одних и тех же размеров существенно зависит от соответствия формы образущеи ячейки форме кривой схода конца пластины. Результаты проведенной киносъемки (рис. 4.2) движения пластиц, показывают состоятельность теоретических предпосылок о возможном отрыве пластин от образующей корпуса на дуге их схода.
Выбор фаз воздухораспределения в таких насосах должен быть обусловлен условиями вылета пластин из пазов ротора в зоне всасывания. Угол поворота до момента соприкосновения пластин с цилиндром корпуса в зоне всасывания (дуга схода пластин) по нашим исследованиям, зависит в основном от вылета пластин о и утла наклона их в роторе V (табл. 4.3).
