ЭФФЕКТИВНОСТЬ НАСОСА СИСТЕМЫ ПОДАЧИ СМАЗОЧНО-ОХЛАЖДАЮЩЕЙ ЖИДКОСТИ

Великанов Н.Л.; Наумов В.А.

УДК 621.65, 532.542 doi: 10.18698/0536-1044-2023-6-72-78

Эффективность насоса системы подачи смазочно-охлаждающей жидкости

Н.Л. Великанов, В.А. Наумов

Калининградский государственный технический университет

Efficiency of the pump in the lubricating and cooling fluid supply system

N.L. Velikanov, V.A. Naumov

Kaliningrad State Technical University

Охлаждение и смазка являются важнейшими процессами при выполнении таких операций, как резка, сверление и шлифование заготовок из металла. При обработке изделия необходимо доставлять смазочно-охлаждающую жидкость в зону работы инструмента в нужном объеме, что обеспечивают насос и соединительный трубопровод. Работа насоса существенным образом зависит от свойств смазочно-охлаждающей жидкости, в частности от ее вязкости, которая влияет на подачу, напор и затраты энергии. Предложен алгоритм определения гидравлических характеристик насоса при подаче смазочно-охлаждающей жидкости. В качестве примера рассмотрены погружные вертикальные центробежные насосы, разработанные для применения в системах охлаждения и подачи смазочно-охлаждающей жидкости станков. Приведены эмпирические зависимости напора, затраченной мощности, коэффициента полезного действия и показателя удельных энергетических затрат насоса от подачи воды. Полученные зависимости пересчитаны для условий работы насоса с жидкостями, вязкость которых значительно выше, чем у воды. Показано, что вязкость существенно меняет характеристики насоса при его работе в сети.

Ключевые слова: погружной центробежный насос, смазочно-охлаждающая жидкость, кинематическая вязкость, напорная характеристика

Cooling and lubrication are the most important processes in such operations as the metal workpiece cutting, drilling and grinding. It becomes necessary in machining a workpiece to supply the lubricating and cooling fluids to the tool operation zone in the required amount, which is provided by the pump and the connecting pipeline. Pump operation essentially depends on properties of the lubricating and cooling fluid, in particular, on its viscosity affecting the flow, pressure and energy costs. The paper propose an algorithm for determining the pump hydraulic characteristics, when supplying the lubricating and cooling fluid. As an example, the submersible vertical centrifugal pumps were considered designed for using in the machines cooling systems and systems supplying the lubricating and cooling fluid. Empirical dependences are presented of the pump head, consumed power, efficiency and indicator of the specific energy cost on the water supply. The obtained dependences were recalculated for the pump operating conditions with liquids, which viscosity was much higher than that of water. It is shown that viscosity significantly changes the pump characteristics during its operation in the network.

Keywords: submersible centrifugal pump, lubricating and cooling fluid, kinematic viscosity, head characteristic

Работа системы подачи смазочно-охлаждающей жидкости (СОЖ) зависит от свойств СОЖ, материалов и геометрических характеристик трубопроводов и параметров насоса. Так как повышение эффективности насоса системы подачи СОЖ является актуальной задачей, ее решению посвящены многие современные работы.

В статье [1] изучено влияние условий охлаждения и смазки на трибологические характеристики СОЖ при высоком контактном давлении. Исследованы сухое состояние, жидкий азот, снег из двуокиси углерода и две жидкости разного типа для обработки металлов при минусовой температуре. Установлено, что использование криогенных сред существенно снижает тепловую нагрузку.

Хорошие теплофизические, реологические и трибологические свойства показывают нано-жидкости, вследствие чего их необходимо исследовать [2].

Технологический процесс резки представляет собой многопараметрическую открытую термодинамическую систему. По результатам исследования [3] сделаны выводы о том, что применение СОЖ существенно изменяет характер протекания трибологических процессов в контактной зоне и определяет состояние дис-сипативных структур. Совместное воздействие покрытия и СОЖ на режущий инструмент оказывает синергетическое влияние на состояние диссипативных структур, что позволяет более эффективно управлять режущим инструментом, обеспечивает долговечность и качество обработанной поверхности [3].

При механической обработке СОЖ вносит значительный вклад в себестоимость продукции, 15.. .20 % общих затрат на обработку приходится на охлаждение и смазку, поэтому в настоящее время проводятся исследования, направленные на снижение расхода СОЖ [4, 5]. Это поможет не только повысить производительность и эко-логичность обработки, но и уменьшить ее стоимость. Технология смазки в минимальном количестве снижает стоимость СОЖ.

В работе [4] определено влияние глубины резания, скорости вращения шпинделя и подачи на усилие резания при торцевом фрезеровании алюминия с использованием базовой жидкости и гибридной наножидкости. Причем при обработке с гибридной наножидкостью сила резания оказалась выше, чем при фрезеровании с базовой жидкостью [4].

Полимерные композиционные материалы (ПКМ), армированные углеродным волокном (углепластиком), получили широкое применение в различных областях промышленности (включая аэрокосмическую и автомобильную), благодаря их исключительным физическим и механическим свойствам [6].

Вследствие неоднородности структуры ПКМ их обработка часто оказывается более сложной, чем резание металлов. В частности, наиболее распространенный способ сборки компонентов — сверление — нередко является самой ответственной операцией, особенно в аэрокосмическом секторе, где требуются детали высочайшего качества и целостности поверхности. Обычно все ПКМ обрабатываются в сухих условиях.

Несмотря на недостатки, связанные с сухим сверлением (например, плохая шероховатость поверхности), существует необходимость в разработке процессов, позволяющих получать детали хорошего качества, демонстрирующие улучшенную целостность поверхности.

В работе [6] сделан вывод, что сверление уг-лепластикового материала с использованием охлаждающей жидкости (смазки) превосходит сухое сверление за счет получения деталей более высокого качества. В статье [7] выявлено значительное влияние геометрических характеристик рабочего инструмента и условий охлаждения на целостность поверхности углепластиков.

Жаропрочный сплав Инконель 718 трудно поддается механической обработке из-за его высокой ударной вязкости и хорошей прокали-ваемости. Установлено [8], что такая обработка более эффективна при добавлении графена в СОЖ.

Продолжаются исследования различных аспектов применения СОЖ в современных станках [9]. Подача СОЖ осуществляется с помощью специальных центробежных насосов. В статьях [10, 11] гидравлический расчет выполнен для СОЖ малой вязкости, сравнимой с водой.

Цель работы — исследование влияния кинематической вязкости на работу насоса системы подачи СОЖ.

Представленные в настоящее время на рынке насосы предназначены, как правило, для подачи СОЖ с кинематической вязкостью 1.90 мм2/с.

Наибольшее распространение на современном производстве получили масляные эмуль-

сии, синтетические и полусинтетические СОЖ [12, 13]. Их вязкость может быть довольно высокой, изменяясь в широких пределах в зависимости от состава и температуры. Например, кинематическая вязкость СОЖ Houghton Garia 601 М-22 составляет 55, 22 и 4,5 мм2/с при температуре 20, 40 и 100 °С соответственно [14]. Имеются также и аналоги российского производства с высокой кинематической вязкостью.

СОЖ, модифицированные дисперсными наполнителями, проявляют свойства неньютоновской жидкости, у которой кинематическая вязкость зависит от градиента скорости течения ю. При достаточно больших значениях градиента (например, при ю > 20 с-1 [15]) свойства таких СОЖ и ньютоновских жидкостей не различаются. Поэтому будем использовать расчетные методы для ньютоновских жидкостей.

Методы исследования. Производители насосов для подачи СОЖ [16, 17] размещают в открытом доступе результаты их испытаний, как правило, на воде. Так, в каталоге [16] указано, что приведенные рабочие характеристики насоса справедливы для СОЖ с кинематической вязкостью не более 5 мм2/с.

Исследуем рабочие характеристики вертикального центробежного насоса (далее насос) AST-30 [17]. Насосы серии AST специально разработаны для применения в системах охлаждения и подачи СОЖ станков.

Рабочие характеристики насоса AST-30 при перекачивании воды с частотой вращения ротора n = 3200 мин 1 (53,3 с-1) приведены на рис. 1. Расчетные зависимости напора H и затраченной мощности N насоса от подачи воды Q, как и в статье [11], получены путем

аппроксимации многочленами второго порядка

H = Hq + aQ + aiQ2, N = N0 + b1Q + biQ2, (1)

где Hq, a1, a2, N0, b1, b2 — эмпирические константы, подобранные по результатам испытаний.

На сайтах производителей отсутствуют показатели энергетической эффективности (ПЭЭ) — коэффициент полезного действия насоса (КПД) п и показатель удельных энергетических затрат (УЭЗ) E. Их можно рассчитать по выражениям

П = 100 Qp/N; E = N/Q, (2)

где p — давление на выходе насоса.

Зависимости КПД п и УЭЗ E насоса AST-30 от подачи воды Q при температуре 20 °С, полученные путем расчета по выражениям (2), показаны на рис. 2.

Как видно из рис. 2, КПД насоса AST-30 невысок. КПД, составляющий 13,7 %, достигается при подаче воды Q = 0,233 дм3/с. При большей подаче воды КПД насоса AST-30 ухудшается (падает), в то время как УЭЗ продолжает улучшаться (уменьшаться).

Пересчитаем рабочие характеристики AST-30 на перекачивание СОЖ Houghton Garia 601 М-22 при температуре Т = 20 °С, кинематической вязкости v = 55-10-6 м2/с и плотности р = = 882 кг/м3 в соответствии с рекомендациями государственного стандарта [18].

При перекачивании воды с наибольшим КПД по» = 0,137 насос имеет следующие параметры: Qqw = 0,839 м3/ч; Hqw = 3,238 м; Nqw = = 53,7 Вт. По формулам, приведенным в работе [18], определяем значения аналогов числа Рей-нольдса Req и коэффициента быстроходно-

Н, м

N, Вт

0,1 0,2 0,3 0,4

Q, дм /с

Рис. 1. Зависимости напора Н и затраченной мощности N насоса А8Т-30 от подачи воды Q при температуре Т = 20°С: точки — данные испытаний [17]; линии — результаты расчета по выражению (1)

Req =

Щ~П _ ^0,8392 • 3200

55

3600

3200

0,839 3600

4 И 0,75 О ООО0,75

H0w 3,238

Вспомогательный параметр

_ 0,239;

_ 20,29.

B _

16,5

1^60n^/Re7 1^60• 20,29 -V0,239

_ 18,69.

Проверяем выполнение всех ограничений применения методики [18]: жидкость можно считать ньютоновской; кинематическая вяз-

сти nq :

n

ть%

Е, кДж/дм

Н, м

12 9 6 3

о

1,2 0,9 0,6 0,3

о

0,1 0,2 0,3 0,4 е.длгУс

Рис. 2. Зависимости КПД п и УЭЗ Е насоса А8Т-30 от подачи воды Q при температуре Т = 20°С

кость жидкости, на которую проводим пересчет, составляет 1...3000 мм2/с; при работе насоса на воде в точке максимального КПД подача Qow должна составлять 0,6.260,0 м3/ч; коэффициент быстроходности щ < 60; напор Иоп, = 3.130 м; значение вспомогательного параметра удовлетворяет неравенству 1 < В < 40.

Поправочные коэффициенты вычисляем следующим образом:

Сн = CQ = ехр Г-0,165 ((о§ В )3,15 Сл= В -0,0547 В0,69 = 0,299.

= 0,703; (3)

Результаты исследования и их обсуждение.

Согласно формуле (3), в точке максимального КПД напор и подача составят 70,3 % значений аналогичных параметров при перекачивании воды: Qo = 0,164 дм3/с; Н = 2,271 м. Максимальный КПД при перекачивании столь вязкой СОЖ п0 = 4,1 %. Отсюда с учетом плотности СОЖ затраченная мощность возрастет до N0 = = 131 Вт. Следовательно, показатель УЭЗ увеличится с 230 до ~800 Дж/дм3.

Результаты пересчета для других значений вязкости СОЖ, выполненного аналогичным образом, приведены на рис. 3.

Как видно из рис. 3, а и б, увеличение кинематической вязкости СОЖ приводит к повышению затраченной мощности насоса и уменьшению его подачи и напора Н, т. е. ПЭЭ ухудшаются (КПД падает, УЭЗ растут).

С ростом подачи СОЖ КПД насоса сначала возрастает, достигая максимума, а затем постепенно снижается (рис. 3, в). Тогда как УЭЗ (рис. 3, г) продолжает уменьшаться (а энергетическая эффективность насоса повышаться) и после прохождения максимума КПД. При подборе насоса необходимо учитывать этот факт.

0 0,1 0,2 0,3 0,4 е,дмл/с а

Ы, Вт

е, дм/с

0 0,1 0,2 0,3 0,4

г

Рис. 3. Зависимости напора Н (а), затраченной мощности N (б), КПД п и УЭЗ Е насоса А8Т-30 от подачи СОЖ Q при различных значениях ее кинематической вязкости: 1 — V = 1 мм2/с (вода); 2 — V = 10 мм2/с; 3 — V = 30 мм2/с; 4 — V = 55 мм2/с

Выводы

1. Кинематическая вязкость жидкости существенным образом влияет на работу системы подачи СОЖ. В частности, у насоса снижаются подача, напор и повышается затраченная мощность. Это приводит к уменьшению КПД и увеличению удельных энергетических затрат.

Литература

2. При фиксированной кинематической вязкости с ростом подачи КПД сначала возрастает, достигая максимума, а затем убывает. В то же время удельные энергетические затраты продолжают падать и после прохождения максимума КПД.

3. Использование полученных результатов позволит более обосновано подбирать насос в системе подачи СОЖ на стадии проектирования.

[1] Basten S., Seis L., Oehler M. et al. Tribological behaviour of AISI 4140 and WC-Co carbides

during dry condition, using cryogenic media, and sub-zero metalworking fluids at high contact stresses. Wear, 2023, vol. 512-513, art. 204525, doi: https://doi.org/10.1016/ j.wear.2022.204525

[2] Patel J., Soni A., Barai D.P. et al. A minireview on nanofluids for automotive applications:

current status and future perspectives. Appl. Therm. Eng., 2023, vol. 219-A, art. 119428, doi: https://doi.org/ 10.1016/j.applthermaleng.2022.119428

[3] Mokriskij B.Ya., Morozova A.V. Controlling the parameters of the cutting technological sys-

tem by the dissipative structures state. ICIE 2022. Springer, 2022, pp. 934-943, doi: https://doi.org/10.1007/978-3-031-14125-6_91

[4] Tiwari R.Sh., Vats P., Singh T. et al. An investigation on effect of hybrid nanofluids in end

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

milling of aluminium 6061 alloy. In: Advances in mechanical and energy technology. Springer, 2022, pp. 85-97, doi: https://doi.org/10.1007/978-981-19-1618-2_9

[5] Urmi W.T., Rahman M.M., Safiei W. et al. Effects of minimum quantity lubrication tech-

nique in different machining processes — a comprehensive review. J. Adv. Res. Fluid Mech. Therm. Sci., 2022, vol. 90, no. 2, pp. 135-159, doi: https://doi.org/10.37934/ arfmts.90.2.135159

[6] Nagaraj A., Uysal A., Gururaja S. et al. Analysis of surface integrity in drilling carbon fiber re-

inforced polymer composite material under various cooling/lubricating conditions. J. Manuf. Process., 2022, vol. 82, pp. 124-137, doi: https://doi.org/10.1016/ j.jmapro.2022.07.065

[7] Rodriguez I., Soriano D., Ortiz-De-Zarate G. et al. Effect of tool geometry and lco2cooling on

cutting forces and delamination when drilling CFRP composites using PCD tools. Procedia CIRP, 2022, vol. 108, pp. 752-757, doi: https://doi.org/10.1016/j.procir.2022.03.116

[8] Maddamasetty A., Bodduru K., Bevara S. et al. Performance evaluation of graphene added

nanofluids and self-lubricating tools in machining Inconel 718. World Journal of Engineering, 2022, vol. 19, no. 4, pp. 583-593, doi: https://doi.org/10.1108/WJE-02-2021-0074

[9] Лебедев В.А., Алиев М.М., Тороп Ю.А. Оценка влияния смазочно-охлаждающих

средств на протекание диссипативных процессов трения и резания материалов. Трение и износ, 2022, т. 43, № 2, с. 160-167.

[10] Великанов Н.Л., Наумов В.А., Корягин С.И. Гидравлический расчет системы подачи смазочно-охлаждающей жидкости в зону обработки материала. Вестник машиностроения, 2017, № 10, с. 70-74.

[11] Великанов Н.Л., Наумов В.А., Корягин С.И. Исследование характеристик центробежных погружных насосов. Вестник машиностроения, 2018, № 4, с. 3-6.

[12] Виноградов Д.В. Основные виды смазочно-охлаждающих технологических средств, применяемых при резании металлов. Москва, Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2018. 96 с.

[13] Кирейнов А.В., Есов В.Б. Современные тенденции применения смазочно-охлаждающих технологических средств при лезвийной обработке труднообрабатываемых материалов. Инженерный журнал: наука и инновации, 2017, № 2, doi: http://dx.doi.org/10.18698/2308-6033-2017-2-1591

[14] Медведева В.В. Реологические особенности смазочных материалов содержащих дисперсные наполнители на основе гидросиликатов магния. Научно-технические ведо-

мости СПбПУ. Естественные и инженерные науки, 2017, т. 23, № 4, с. 141-148, doi: https://doi.org/10.18721/JEST230414

[15] Houghton Garia 601 M-22. quaker-houghton.ru: веб-сайт. URL: https://quaker-houghton.ru/ products/oils/garia/garia-601-m22/ (дата обращения: 09.09.2022).

[16] Catalog of Sacemi elecric pumps. sacemigamar.com: веб-сайт. URL: https://www.sacemigamar.com/en/download/ (дата обращения: 09.09.2022).

[17] Погружные вертикальные центробежные насосы серии AST. gpa.by: веб-сайт. URL: https://gpa.by/index.pl?act=PRODUCT&id=969 (дата обращения: 09.09.2022).

[18] ГОСТ 33967-2016. Насосы центробежные для перекачивания вязких жидкостей. Поправки к рабочим характеристикам. Москва, Стандартинформ, 2017. 18 с.

References