Содержание к диссертации
Введение
1 Состояние вопроса эффективности применения вакуумных насосов при реализации технологических процессов 11
1.1 Обзор конструкции вакуумных насосов 11
1.2 Анализ возникновения износов, дефектов и повреждений основных деталей РВН и влияние их на эффективность работы 19
1.3 Анализ теоретических исследований по повышению эффективности работы РВН 22
1.4 Обзор и анализ существующих технологий восстановления деталей РВН 28
Цель и задачи исследования 30
2 Теоретические исследования эффективности работы РВН 32
2.1 Анализ процесса работы вакуумного насоса 32
2.2 Теоретическая модель формирования отказов 40
2.3 Теоретическая модель повышения ресурса РВН 45
2.4 Рекомендации по совершенствованию конструкции РВН на этапе эксплуатации 50
2.5 Подача модернизированного вакуумного насоса 53
Выводы по главе. 56
3 Методика экспериментальных исследований 57
3.1 Методика определения физико-механических свойств материалов .58
3.1.2 Методика проведения многофакторного эксперимента по определению скорости изнашивания
3.1.2.1 Определение наиболее значимых факторов влияющих на скорость изнашивания 60
3.1.2.2 Методика проведения многофакторного эксперимента...60
3.1.2.3 Методика определения скорости изнашивания материалов 63
3.2 Методика проведения стендовых испытаний 67
3.2.1 Описание приборов экспериментальной установки 67
3.2.1.1 Тензодатчик вакуума 69
3.2.1.2 Тензодатчик усилия 70
3.2.1.3 Датчик расхода воздуха 72
3.2.1.4 Датчик температуры 74
3.2.2 Подготовка серийного насоса РВН к его модернизации 75
3.2.2.1 Методика определения геометрических параметров для модернизации насосов. 75
3.2.2.2 Последовательность технологических операций по модернизации РВН 3.2.3 Методика исследования процесса работы РВН .80
3.2.4 Методика измерения производительности 80
3.3 Методика обработки экспериментальных данных 82
4 Результаты экспериментальных исследований и их анализ 87
4.1 Результаты исследований коэффициентов трения в парах трения вакуумного насоса .87
4.2 Результаты проведения многофакторного эксперимента по определению скорости изнашивания в исследуемых парах трения 88
4.3 Анализ работы насосов
4.3.1 Результаты исследования длительности непрерывной работы серийного насоса.., 98
4.3.2 Результаты исследования длительности непрерывной работы модернизированного насоса 103
4.3.3 Результаты исследований подачи МРВН 106
4.3.4 Результаты исследований влияния температуры деталей МРВН на его работу 109
4.3.5 Сравнительные испытания МРВН на потребляемую им мощность 110
4.4 Результаты производственных испытаний 111
4.5 Разработка общей схемы ремонта МРВН 112
4.5.1 Результаты анализа износов боковой крышки и торцевой пластины МРВН 113
4.5.2 Общая схема ремонта МРВН 115
4.6 Апробация и реализация предложенных решений при эксплуатации модернизированного насоса 116
Выводы по главе 117
5 Технико-экономическая оценка результатов исследования 119
5.1 Расчет затрат на содержание и эксплуатацию доильной установки с серийным насосом 120
5.2 Расчет затрат на содержание и эксплуатацию доильной установки с модернизированным насосом 121
Выводы по главе .125
Общие выводы и предложения 126
Литература
- Анализ теоретических исследований по повышению эффективности работы РВН
- Рекомендации по совершенствованию конструкции РВН на этапе эксплуатации
- Методика проведения многофакторного эксперимента по определению скорости изнашивания
- Результаты проведения многофакторного эксперимента по определению скорости изнашивания в исследуемых парах трения
Введение к работе
Актуальность темы. Важным фактором при повышении эффективности работы технологического оборудования в промышленности и сельском хозяйстве является поддержание постоянства вакуумного режима. Наибольшее распространение среди устройств для создания вакуума получили вакуумные насосы пластинчатого типа (РВН). В связи с этим РВН должны иметь высокую надежность и техническую готовность на протяжении всего периода эксплуатации. Коэффициент готовности должен быть не ниже 0,99, а в часы использования равен единице. Однако насосы РВН имеют ряд недостатков, такие как низкий межремонтный ресурс, 800... 900 ч, и снижение производительности в результате увеличения длительности непрерывной работы. Даже незначительное нарушение режима работы вакуумных установок приводит к снижению качества продукции, повышению расхода электроэнергии и нарушению технологических процессов. Необходимость поддержания высокой технической готовности вакуумных насосов и установок, непродолжительный период резервного времени для восстановления работоспособности обусловливают повышенные требования к качеству ремонта вакуумных насосов, а также его специфику.
В связи с этим разработка мероприятий, обеспечивающих повышение эффективности РВН за счет модернизации их конструкции при ремонте, представляет практический интерес и является актуальной.
Работа выполнена в соответствии с планом научно-исследовательских работ ФГБОУ ВПО «Ставропольский государственный аграрный университет» 2010-2015 г., № 1.4.32 на выполнение НИР по теме «Повышение долговечности машин и оборудования АПК путем их модернизации при ремонте и создания требуемых эксплуатационных свойств рабочих поверхностей деталей, контактирующих друг с другом».
Цель исследований - повышение эффективности работы РВН за счет модернизации его конструкции при ремонте.
Объект исследования - рабочие поверхности деталей основных пар трения ротационного пластинчатого вакуумного насоса, определяющие его межремонтный ресурс и эффективность работы.
Предмет исследования - закономерности процесса изнашивания рабочих поверхностей деталей основных пар трения вакуумных насосов.
Методы исследований предусматривали использование теории вероятности и надежности, математического анализа и системного подхода, обеспечивающих аналитическое описание эффективного использования вакуумных насосов, стандартных методик стендовых и эксплуатационных испытаний на современном оборудовании, а также методов планирования много факторного эксперимента, математической статистики для обработки полученных результатов и частные методики исследования работоспособности насоса.
Научная новизна. Разработана теоретическая модель формирования параметрического отказа РВН, представленного как сложная система, низшим элементом которой являются рабочие поверхности деталей основных пар трения, оказывающие влияние на надежность обеспечения вакуума при реализации технологических процессов; обоснован способ повышения ресурса за счет выбора материала и условий контактирования рабочих поверхностей деталей насоса и определены аналитические зависимости межремонтных ресурсов серийных и модернизированных насосов; установлены аналитические зависимости влияния длительности непрерывной работы на межремонтный ресурс серийных и модернизированных РВН.
Практическая значимость работы. Предложена модернизация конструкции вакуумного насоса пластинчатого типа при его ремонте, обеспечивающая повышение долговечности, стабилизацию вакуума и снижение затрат на привод. Новизна предложенного технического решения подтверждена патентами РФ на изобретение и полезные модели: № 48062, № 54107, № 2333392. Разработана технологическая документация и маршрутно-технологические карты на изготовление оснастки и приспособлений, которая позволяет выполнять все технологические операции по модернизации вакуумных насосов при их ремонте.
Апробация работы. Основные результаты исследований представлены на: Международной выставке-конгрессе «Высокие технологии. Инновации. Инвестиции» (Санкт-Петербург, 2007-2008); Международной научно-практической конференции «Производство и ремонт машин» (Ставрополь, 2005); III Российской научно-практической конференции «Физико-технические проблемы создания новых технологий в агропромышленном комплексе» (Ставрополь, 2005); 69-й научно-практической конференции «Совершенствование технологий и технических средств в АПК» (Ставрополь, 2005); международных специализированных агропромышленных выставках «Агроунивер-сал» (Ставрополь, 2005-2011); Международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы научно-технического прогресса в АПК» (Ставрополь, 2006); выставке-конкурсе «Инновации года» (Ставрополь, 2009); Всероссийской научно-производственной конференции «Новые направления в решении проблем АПК на основе современных ресурсосберегающих инновационных технологий» (Владикавказ, 2010); Всероссийском конкурсе «Старт» (Ставрополь, 2010); VI Российской научно-практической конференции «Физико-технические проблемы создания новых технологий в АПК» (Ставрополь, 2011). Победитель программы Министерства образования и науки Российской Федерации «Участник молодежного научно-инновационного конкурса» (Ставрополь, 2010).
Реализация результатов исследования. По результатам выполненных исследований разработан комплект технологической документации по модернизации РВН, который рекомендован Управлением сельского хозяйства и охраны окружающей среды Шпаковского района к использованию в ремонтно-технических предприятиях района и министерством промышленности, энергетики и транспорта Ставропольского края на промышленных предприятиях; по разработанной технологии модернизирован вакуумный насос УВУ60/45Б-0,75, который внедрен в эксплуатацию на молочно-товарную ферму СПКк «Пригородный» Шпаковского района; модернизированный стенд для испытания и обкатки вакуумных насосов 8719 ВНИИТИМЖ внедрен в учебный процесс ФГБОУ ВПО СтГАУ факультета механизации для проведения лабораторно-практических занятий.
Публикации. По результатам исследований было опубликовано 16 работ, в их числе 4 - в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, 1 монография, 2 патента на полезную модель и 1 патент на изобретение.
На защиту выносятся следующие положения: теоретическая модель формирования параметрического отказа РВН, в иерархической схеме которого выделены рабочие поверхности его деталей, оказывающие влияние на надежность и эффективность работы насоса; способ повышения ресурса за счет обоснованного выбора материала и условий контактирования рабочих поверхностей деталей насоса, реализованный при ремонте модернизацией его конструкции; аналитические зависимости межремонтных ресурсов, учитывающие интенсивность изнашивания основных пар трения и влияние длительности цикла непрерывной работы серийных и модернизированных насосов.
Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов, списка используемой литературы и приложений, изложенных на 137 страницах машинописного текста, в том числе 60 рисунков и 7 таблиц. Список используемой литературы включает 101 наименование, в том числе 4 - на иностранных языках. Имеются 17 приложений на 48 страницах.
Анализ теоретических исследований по повышению эффективности работы РВН
Исключение составляют малопроизводительные насосы поршневого типа зарубежных фирм «DIVAC LEYBOLD» (Германия), «Манус» (Англия), «Mielk» (Германия) и «Христенсен» (Дания) и выпускаемые для применения в индивидуальных доильных аппаратах небольших фермерских хозяйств (рис. 1.2 а) [99,100,101].
Плунжерные насосы (рис. 1.2 б) выполняются в одно- и двухступенчатом исполнении и используются, как правило, в качестве форвакуумных для высоковакуумных насосов различного типа. Они имеют ряд недостатков: сложность конструкции, значительную неуравновешенность движущихся масс, большую точность изготовления составных частей.
В основу новых конструкций вакуумных насосов была положена схема насоса ротационного типа. По создаваемой разреженности вакуумные насосы можно подразделить на насосы низкого, среднего и высокого вакуума.
В зависимости от назначения насосы могут быть «сухие» (отсасывать газ) и «мокрые» (отсасывать газ в смеси с жидкостью).
По конструктивным признакам ротационные вакуумные насосы условно разделяются на водокольцевые, с катящимся поршнем, а также шланговые и пластинчатые.
Водокольцевые вакуумные насосы отличаются значительной объемной производительностью, простотой устройства и надежностью в работе. Они не имеют всасывающего и выпускного клапанов, в них нет распределительного механизма, нет металлических трущихся поверхностей, и не требуется смазка во время работы (рис. 1.2 в). Недостатком водокольцевых насосов является их низкий КПД (0,48...0,52) вследствие значительных гидравлических потерь в жидкостном кольце (75...80%), неустойчивый режим работы и высокие эксплуатационные затраты на единицу удельной производительности. Кроме того, они требуют дополнительных устройств (насосов) для подачи рабочей жидкости и имеют высокий расход мощности при вакууме до 0,6 МПа [59,96].
Вакуумные насосы с катящимся поршнем конструктивно подразделяют на пластинчато-статорные и золотниковые.
В золотниковых насосах ротор не касается стенок корпуса, а заключен в обойму, обхватывающую эксцентрик и представляющую собой сплошной цилиндр. Недостатком насосов этого типа является сложность конструкции, а изготовление составных частей требует большой точности. Движущиеся возвратно-поступательные части сильно изнашиваются в процессе работы насоса и поэтому требуют обильной смазки [5].
Двухроторные вакуумные насосы (РУТС) (рис. 1.2 г), имеют два вращающихся поршня (ротора) с двумя или тремя уплотняющими лопастями, подающими воздух от всасывающего к нагнетательному окну между двумя соседними цилиндрами. Разновидностью двухроторных вакуумных насосов являются винтовые насосы. Существенным недостатком насосов этого типа является то, что они не могут работать эффективно при высоких давлениях из-за больших внутренних перетечек воздуха [101].
Шланговые вакуумные насосы состоят из корпуса, внутри которого намотан шланг, сжимаемый эксцентрично установленным ротором (рис. 1.2 д). Недостатком этих насосов является быстрый износ шлангов и недостаточная производительность. В настоящее время ведутся работы по усовершенствованию конструкции насосов этого типа с целью повышения эффективности их использования.
Проведенные исследования и данные литературных источников [26, 35, 40, 55, 59, 100, 101] свидетельствуют, что из всех типов ротационных вакуумных насосов самое большое распространение получили ротационные вакуумные насосы пластинчатого типа (РВН) с эксцентричным расположением ротора (рис. 1.2 е, 1.3). Это объясняется достаточно высокой производительностью, простотой конструкции, низкой стоимостью насоса, независимостью от природно-климатических условий.
Области применения вакуумных насосов пластинчатого типа отсекаемого пластинами воздуха при вращении ротора, располагаемого эксцентрично в корпусе насоса. Быстрота действия отечественных РВН находится в пределах 0,0003...0,833 м /с. Предельное остаточное давление для насосов со смазыванием в одноступенчатом исполнении около 2 кПа, в двухступенчатом - примерно 0,5 кПа [59]. Пластины могут иметь радиальное или тангенциальное расположение. При помощи РВН можно получить высокий вакуум. Механический КПД их равен 0,8...0,9. Он характеризует отношение индикаторной мощности к мощности на валу насоса. Вакуумные насосы этого типа хорошо уравновешены, при достаточно больших оборотах создают меньшую пульсацию вакуума и имеют небольшие габаритные размеры и массу. Они содержат меньшее количество деталей, в них нет всасывающих и нагнетательных клапанов. Кроме этого, их отличает упрощенная система воздухораспределения. Для РВН не требуются массивные фундаменты, так как они имеют плавный, с минимальной вибрацией, характер работы. Эти насосы более равномерно откачивают воздух и более быстроходны.
Первоначально РВН выпускались зарубежной фирмой «Де Леваль» для крупных доильных установок. В нашей стране РВН были впервые применены в доильной установке «Темп» [4]. Увеличение производительности доильных установок привело к созданию новых высокопроизводительных, более совершенных вакуумных насосов типа РВН разной производительности: РВН-100, РВН-200, РВН-0,65, РВН-40/350, РВН-25, РВН-40С и вакуумных установок ДПР-ЗГ, УВ-45, УВУ-45/60, применяемых на сегодняшний день не только в сельском хозяйстве, но и в различных отраслях народного хозяйства.
Насосы этих марок отличаются друг от друга расположением ротора в корпусе, сечением впускного и выпускного патрубков, расположением окон в корпусе, частотой вращения ротора, материалом пластин, креплением привода на раме, геометрическими размерами, массой и действительной производительностью
Рекомендации по совершенствованию конструкции РВН на этапе эксплуатации
Исследования по совершенствованию конструкции РВН на этапе эксплуатации проводились с позиции повышения эффективности его работы за счет создания требуемых свойств рабочих поверхностей деталей насоса, контактирующих друг с другом. Основным ресурсосберегающим подходом при этом является снижение скорости изнашивания рабочих поверхностей, износ которых приводит к увеличению радиальных и торцевых зазоров, и в конечном итоге, к снижению фактической подачи [49].
Согласно уравнению (2.21), важным ресурсосберегающим направлением снижения скорости изнашивания и соответственно повышения эффективности работы насоса, является правильный подбор материалов в парах трения. Для оптимизации условий работы поверхностей пары трения «лопатка - корпус» предложено использовать в зоне трения упругий антифрикционный материал (например, фторопласт), нанесенный на рабочие поверхности лопатки и корпуса. Новизна такого технического решения подтверждена патентом РФ на полезную модель №43043 [52, 66]. Антифрикционный материал позволит оптимизировать площадь фактического контакта в зоне трения, что возможно путем изменения силы прижатия лопаток к корпусу, так как она зависит от нагрузки: при небольшой нагрузке ее рост сопровождается увеличением размеров площадок контакта, с дальнейшим ростом нагрузки увеличивается число площадок касания при сохранении их размеров. Это позволит снизить износ рабочей поверхности цилиндра и радиальной поверхности лопатки, а также увеличить площадь контакта, тем самым снизить радиальные перетекания газа.
Следующим возможным способом снижения скорости износа по уравнению (2.21) является параметр Ксм » обеспечение контактной зоны пар трения достаточным количеством смазки. Для улучшения условий смазки рабочих поверхностей в паре трения «лопатка - корпус», предложено новое техническое решение по патенту РФ № 48602 [67], (приложение 1). Согласно патенту, конструкция полой лопатки заправлена смазочным материалом, который дозировано поступает в зону трения и препятствует появлению граничного и сухого трения, характерного для неустановившегося режима работы насоса. Преимущество данного способа смазки заключается в том, что смазка поступает именно в зону контакта пары трения «лопатка -корпус», а не распыляется по всему насосу. К тому же при такой системе смазки масло расходуется более экономно, а дозаправку лопаток можно производить без разбора компрессора, через заправочное отверстие в боковой крышке.
Представленные направления совершенствования пар трения РВН способствуют снижению радиальных перетечек газа. Однако наибольшее влияние на подачу насоса оказывают пары трения, образованные торцевой поверхностью ротора, боковой поверхностью крышки и торцевой поверхностью лопатки, так как износ этих поверхностей приводит к увеличению торцевого зазора и увеличению перетечек воздуха в РВН.
Снижение скорости изнашивания в этой паре трения за счет подбора материала и создание благоприятных условий смазки не эффективно, так как под действием центробежных сил и высоких скоростей перемещения, смазка не удерживается на торцевой поверхности ротора, а наличие абразива в зоне контакта и плохие условия смазки усиливают износ.
Новые технические решения, по патенту РФ № 54107 на полезную модель [68] и патенту РФ № 2333392 на изобретение [65] (приложение 2, 3), практически исключают износ в этих парах трения за счет значительного уменьшения (пара трения «торцевая поверхность лопатки - боковая крышка») и полного устранения скорости относительного перемещения контактирующих поверхностей (пара трения «торцевая поверхность ротора -боковая крышка»).
Для этого в корпусе 1 в зоне его крепления с боковыми крышками 3 выполнены проточки диаметром D. В полости проточек с каждой стороны установлены торцевые пластины 5 толщиной h, вращающиеся совместно с ротором 2 (рис. 2.10). Модернизация РВН, позволит стабилизировать величину вакуума на более продолжительное время, снизить затраты энергии на привод и проведение ремонтных работ. Анализ вышеизложенного показывает необходимость теоретического подтверждения рациональности рекомендаций по совершенствованию конструкции РВН на этапе эксплуатации и по снижению скорости изнашивания рабочих поверхностей его деталей, приводящих к увеличению торцевого зазора, так как он является определяющим при снижении подачи.
Подача как серийного РВН, так и модернизированного ротационного вакуумного насоса (МРВН) будет определяться по формуле (2.2). В то же время установлено, что основная доля перетечек приходится на торцевые перетекания газа [59], следовательно, необходимо выяснить, насколько снизятся торцевые перетекания газа в модернизированном насосе по сравнению с серийным.
Исследования Н.И. Мжельского [59] показали, что основная часть перетечек через этот зазор приходится на участок от вала ротора до точки наибольшего сближения ротора и корпуса, так как этой зоне наблюдается наибольший перепад давлений. Размер данного зазора также является величиной переменной и зависит от степени износа торцевых поверхностей ротора и боковых крышек для серийного насоса. В исследованиях И.В. Исуповой получена формула (1.2) в которой учитываются перетекания газа и через торцевой зазор (рисунок 1.5), однако она сложна для восприятия, поэтому нами предложена упрощенная формула для определения торцевого зазора:
Методика проведения многофакторного эксперимента по определению скорости изнашивания
Подача в конце каждого цикла VKпредставлена точками Вь В2, Вз...Вп. Снижение подачи в конце каждого цикла происходит не только из-за естественного износа рабочих поверхностей серийного насоса, но и в результате увеличения тепловых зазоров сопряжений. Эта зависимость также носит линейный характер, но падение подачи происходит интенсивнее, и её можно представить в следующем виде:
Подставив коэффициенты уравнений (4.15) и (4.16) в уравнения (4.13) и (4.14), приняв при этом в обоих случаях минимально допустимую подачу равную 32 м /ч, получим, что tH = 842,8 ч, а tK = 515,7 ч. Значение tH характеризует длительность эксплуатации насоса до наступления отказа в результате износа рабочих поверхностей, то есть является межремонтным ресурсом насоса. Значение tK характеризует время безотказной работы серийного вакуумного насоса в результате увеличения тепловых зазоров (рис. 4.8). По данным этого рисунка видно, что зависимости VH = f(t) и VK = f(t) позволяют определить зону действительного ресурса насоса, которая ограниченна максимальным и минимальным значением tmax и tmin.
Зная эти величины, установили среднее значение ресурса tcp = 679 ч, среднее квадратичное отклонение межремонтного ресурса а = 54,5 ч и коэффициент вариации V = 8%. Данные подтверждают и уточняют раннее полученные результаты [4, 86].
Если продолжительность непрерывной работы не превышает предельное значение, то общий межремонтный ресуре насоса t = 842,8 ч. находится в том же диапазоне 800...900 часов. Если же длительность непрерывной работы увеличивается сверх допустимого предела, то возможное снижение количества успешных применений насоса составляет 39%. Ресурс насоса снижается на 327 ч или 65 циклов работы.
Аналогичным образом, можно представить зависимость температуры от времени работы в цикле Т = f(t). С учетом того, что временем на разогрев насоса от комнатной до рабочей температуры (в среднем 15-20 мин) можно пренебречь, получим: Т = Т„ + Ш + ct , (4.17) где Тн - рабочая температура в начале цикла, С; к, с - коэффициенты. Температурную функцию Т = f(t) аналогично функции подачи V = (1) можно условно разделить на два участка: линейный и квадратичный. Линейный участок характеризуется незначительным повышением температуры на 3 - 4С/час и продолжительностью 3,, - 4 часа (нормальный температурный режим работы). После 4 часов непрерывной работы скорость повышения температуры насоса возрастает до 9 - 10С/ч.
При этом нельзя не отметить тот факт, что время перехода линейного участка в квадратичный, кривых Т = (t) и V = f(t) совпадает и составляет 3,5-4 часа. Это дает основание предположить, что на снижение подачи РВН оказывает влияние повышение температуры, в результате чего увеличиваются тепловые зазоры, а, следовательно, увеличиваются и внутренние перетекания газа.
Повышение температуры объясняется ухудшением условий работы пары трения «лопатка - боковая крышка» из-за высыхания текстолитовой лопатки под действием центробежной силы и повышением её твердости в результате нагрева свыше 70С. Вследствие такого перераспределения твердости и условий изнашивания чугунный корпус и неподвижные боковые крышки насоса изнашиваются интенсивнее, с еще большим выделением тепла.
Проведенные исследования показывают, что основное влияние на снижение подачи серийного насоса оказывают не радиальные, а торцевые перетекания газа.
Радиальные перетекания газа зависят от полноты контакта текстолитовой лопатки с корпусом насоса. В результате износа этих рабочих поверхностей контакт поддерживается довольно стабильно за счет центробежной силы и выдвижения текстолитовых лопаток из паза ротора. Перетекания газа в радиальном направлении тоже присутствуют, но их доля в установившихся режимах не велика.
Износ рабочих поверхностей в торцевом зазоре не обратим, и с увеличением продолжительности эксплуатации он все больше и больше нарастает, приводя к появлению критических зазоров, не обеспечивающих предельной минимально допустимой подачи насоса. Дополнительное снижение подачи происходит из-за роста температуры в сопряжениях насоса.
Одними из основных факторов, влияющих на скорость изнашивания пластин насоса, являются их высокая скорость в контакте (до 14 м/с) и ухудшение условий смазки, так как подаваемое масло с торцевой поверхности боковых крышек под действием центробежной силы стекает от центра к краю.
Отсюда возникает необходимость модернизации вакуумного насоса пластинчатого типа при его ремонте [65]. Она, как уже отмечалось, заключается в постановке дополнительных торцевых пластин, которые вращаются совместно с ротором в специальных проточках корпуса, что исключает взаимодействие торцевой поверхности ротора и боковой крышки и увеличивает длительность непрерывной работы насоса.
Результаты выполненных исследований позволили установить потери производительности в течение одного цикла непрерывной работы МРВН и выявить закономерности снижения подачи по мере его наработки [28].
Подача модернизированного насоса в начале цикла работы длительностью 5 часов имеет практически линейную зависимость, а снижение подачи в этот период составляет 0,2 - 0,4 м /ч (рис. 4.9).
Обработка результатов исследований с достоверностью аппроксимации R2 = 0,95 позволила определить эмпирические коэффициенты и представить зависимость изменения подачи такого насоса в течение одного цикла работы в виде:
Снижение начальной подачи модернизированного вакуумного насоса по сравнению с серийным составило 1,8 м3/ч, что обусловлено снижением Изменение подачи и температуры модернизированного МРВН в зависимости от длительности его непрерывной работы Учитывая снижение подачи в течение одного цикла работы, математические зависимости подачи от времени работы были представлены по её изменению в начале и в конце каждого пятичасового цикла.
Подача в начале каждого цикла VHM представлена точками Аь А2, А2...А„, где 1,2,3...п порядковый номер цикла, при этом отмечено что VAi VA2 VAз и т.д. Снижение подачи происходит в результате естественного износа рабочих поверхностей пар трения «корпус - торцевая пластина», «лопатка - торцевая пластина». Обработка результатов исследований с достоверностью аппроксимации К = 0,96 позволила определить эмпирические коэффициенты и представить зависимость изменения подачи в начале каждого цикла включения насоса в следующем виде:
Результаты проведения многофакторного эксперимента по определению скорости изнашивания в исследуемых парах трения
Сравнив эти индексы с индексами, учитывающими скорость снижения подачи, формул 4.15, 4.16, 4.19 и 4.20, получаем, что Кс и к лежат в заданных пределах и наработка насосов при торцевом зазоре 0,11 составляет 300 и 650 часов или 35,3 и 27% от межремонтного ресурса серийного и модернизированного соответственно.
Таким образом, увеличение этого зазора приводит к меньшему снижению объемной подачи, чем увеличение торцевого зазора в серийном вакуумном насосе. Это обусловлено тем, что периметр щели, через которую возможны перетечки газа у серийного насоса значительно больше: у серийного РВН периметр максимальной и минимальной ячейки соответственно равен 253,58 и 210,84 мм, а у модернизированного - 151, 48 и 108,74 мм, что на 40% и 49% меньше, чем в серийном насосе. Это обуславливает снижение доли перетечек через эти периметры прилегания.
Температура работы вакуумного насоса также оказывает значительное влияние на работу насоса [59, 78, 86]. Из-за увеличения температуры, поверхности текстолитовых лопаток становятся тверже чугунного корпуса и боковых крышек, и начинают изнашивать их, что приводит к ещё большему повышению температуры и значительному увеличению тепловых зазоров, в результате чего интенсивнее снижается подача вакуумного насоса (рис. 4.12).
В вакуумном насосе основной нагрев происходит в результате трения лопаток о внутреннюю поверхность корпуса насоса, что усугубляется плохими условиями смазки и наличием абразива и продуктов износа в зоне контакта рабочей поверхности лопатки и корпуса.
Экспериментальные исследования серийного насоса показали, что с увеличением зазора происходит повышение температуры, в среднем 1,06С на 0,1 мм зазора. Такое интенсивное повышение температуры при длительной, непрерывной эксплуатации способствует увеличению тепловых зазоров, что равноценно износу за период эксплуатации 250...300 часов. Это объясняется увеличением амплитуды и частоты вибраций лопатки в результате износа рабочих поверхностей, что способствует большему перекосу пластин в пазах ротора и их заклиниванию.
Увеличение зазора между боковой крышкой и лопаткой в модернизированном насосе также приводит к повышению температуры, однако с меньшей интенсивностью, в среднем 0,61 С на 0,1 мм, что на 42,5% ниже, чем в серийном насосе.
Зазор между боковой крышкой и торцевой пластиной на температуру практически не оказывает никакого влияния в связи с тем, что торцевая пластина и боковая крышка не соприкасаются между собой.
Как видно из данных рисунка 4.13 с увеличением зазора мощность на привод серийного насоса снижается из-за увеличения зазоров в результате износа рабочих поверхностей и образования газового клина между ними.
Однако мощность, потребляемая модернизированным насосом, ниже, чем мощность, потребляемая серийным насосом, в среднем на 4 - 5%. Это объясняется тем, что в модернизированном насосе за счет подбора материалов пар трения и изменения условий работы некоторых рабочих поверхностей снизились затраты энергии на преодоление силы трения между рабочими поверхностями вакуумного насоса. А также снизилась вероятность кратковременного заклинивания лопаток между боковыми крышками в результате их перекоса в пазах ротора, так как в модернизированном насосе торцевая пластина, выполненная из материала фторопласт-4, прогибается, высвобождая лопатку.
Предварительные результаты экспериментальных исследований показали, что по снижению потребляемой мощности, рабочей температуре, и повышению ресурса модернизированный насос в 1,5 - 2 раза эффективнее серийного.
Однако для более конкретных данных необходимо произвести производственные испытания модернизированного насоса в реальных условиях эксплуатации.
В процессе исследований использовался МРВН вакуумной установки УВУ 60/45Б-0,75. Замеры снижения подачи модернизированного вакуумного насоса производились через каждые 200 часов работы. По данным замеров построена диаграмма снижения подачи от времени эксплуатации модернизированного насоса и серийного, представленная на рисунке 4.14.
Данные зависимости аппроксимированы по линейному приближению, в результате чего были получены линейные уравнения зависимости подачи насоса от времени его эксплуатации, как для серийного, так и для модернизированного вариантов.
