CC BY
71
МЕХАНИЗАЦИЯ И ЭЛЕКТРИФИКАЦИЯ АПК
MECHANIZATION AND ELECTRIFICATION OF AGRARIAN AND INDUSTRIAL COMPLEX
УДК 637.116.4
Подолько Н.М. Заслуженный изобретатель РФ, Уссурийский аграрный техникум, г.Уссурийск К ВОПРОСУ О СНИЖЕНИИ ЭНЕРГОЕМКОСТИ РОТАЦИОННО-ПЛАСТИНЧАТЫХ МАШИН
В статье представлена конструктивная разработка вакуумного насоса с измененными технологическими параметрами, обладающая меньшей энергоемкостью на единицу производительности относительно базовой ротационно-пластинчатой машины.
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: ВАКУУМНЫЙ НАСОС, ЭНЕРГОЁМКОСТЬ, КОНСТРУКЦИЯ,
КОЭФФИЦИЕНТ НАПОЛНЕНИЯ, РАБОЧАЯ КАМЕРА, РОТОР.
Podolko N.M.,Ussuriysk Agrarian Technical School
TO THE QUESTION OFDECREASE OF POWER CONSUMPTION OF ROTARY-LAMELLAR MACHINES
The question of applicationin agricultural production of vacuum pumps, their positive sides and shortcomingsis considered. Here is offered a scheme of constructive changes ofpumps parameters,and decrease in power consumption of the equipment.
KEYWORDS: VACUUM PUMP, POWER CONSUMPTION, DESIGN, FILLING FACTOR, WORKING CHAMBER, ROTOR.
Основными направлениями экономического и социального развития страны предусматривается дальнейшее совершенствование материально - технической базы сельского хозяйства, увеличение количества и повышение качества поставляемой промышленностью техники.
В технологическом процессе производства продукции животноводства вакуум, как рабочая среда, занимает одно из основопола-тающих мест. Это пневмотранспортировка
кормов, воды, отходов содержания, продукции животноводства, привод рабочих, исполнительных механизмов доильных аппаратов, доильных установок и т.д.
Рабочей машиной для получения вакуума служат вакуумные насосы.
Наибольшее распространение (применение) в животноводстве получили ротационно-пластинчатые (шиберные) вакуумные насосы, известные под маркой УВА (УВБ), УВД (рис. 1).
Рис. 1 Ротационно-пластинчатый вакуумный насос
34
У стройство ротационно-пластинчатого
вакуумного насоса: Вакуумный насос состоит из корпуса, закрытого с боков боковыми крышками, в которых эксцентрично смещенными относительно центра корпуса располо-
жены отверстия с размещенными в них подшипниками. В подшипниках вывешен вал ротора, имеющий прорезы под пластины. С противоположных сторон в корпусе выполнены впускное и выпускное отверстия (рис. 2).
Рис. 2 Схемы устройства и работы ротационно-пластинчатого вакуумного насоса
Работа ротационно-пластинчатого насоса
При включении привода насоса, за счет эксцентрично расположенного ротора относительно оси корпуса насоса, пластины поочередно, то углубляются в пазах ротора, то за счет центробежной силы выходят из них, перемещаются к корпусу, скользят по нему, создавая разрежение на стороне всасывания и давление на стороне нагнетания, сжимают засосанный воздух и выталкивают его в атмосферу. Смазка подшипников, торцевых стенок ротора, пластин происходит за счет подвода масла в зону разряжения насоса через сверления выполненных в боковых крышках, соединенных маслопроводами с емкостью, с маслом, закрепленной на его корпусе.
Преимущества этих насосов в том, что они хорошо уравновешенны [1], имеют небольшие габаритные размеры и массу, высокую надежность в работе, просты в обслуживании, упрощена схема воздухораспределения, работают плавно, быстроходны.
Недостатки ротационно-пластинчатых насосов.
Низкий механический КПД, относительно высокая энергоемкость на единицу производительности.
Прогнозируемый технический результат заключается в снижении энергоемкости и повышении производительности машины (Мельников С.В., 1969).
Производительность насоса Q зависит прежде всего от объема камеры всасывания:
Q = Увс-ZW / 2П м3/с Увс = ASL,
где Увс - объем камеры всасывания;
Z - число пластин;
W - угловая скорость;
AS - разность максимальной и минимальной площади;
L - длинна корпуса насоса. то есть AS = Smax - Smin
Отсюда следует, что AS может быть равной Smax (рис. 3) только при равенстве иАОиДС, что возможно только при их одинаковом радиусе, то есть R1= R2. Увеличение радиуса ротора R1 вызовет уменьшение Smax. Значит необходимо уменьшить радиус R2 на величину эксцентриситета, перенести его из точки О в точку О1, что приведет к изменению формы внутренней поверхности насоса и вместо окружности в сечении мы получим кривую второго порядка - эллипс (овоид). Изменение общей площади сечения корпуса насоса (уменьшение) произойдет за счет уменьшения ее «нерабочих» площадей (а значит и объемов), которые должны использоваться для подсоединения всасывающих и нагнетательных патрубков.
35
Рис. 3 Схема конструктивных изменений параметров ротационно-пластинчатого вакуумного насоса
Таким образом, в целом, даже при уменьшении общей площади сечений (объема), -производительность насоса несколько увеличится, так как Smin = 0,
AS = Smax, тогда Увс = SmaxL, а мощность N, необходимая для его привода, уменьшится за счет уменьшения Уо (Моль Р., 1975).
N = Уо^(Р1-Ро) / 2Ппт Вт, где У0 - литраж;
W - угловая скорость;
nm - механический КПД;
(Р1 - Р0) - давление нагнетания (или вакуум всасывания).
Производительность насоса Q также зависит от коэффициента наполнения (Мельников С.В.,1969).
Q = 0,98eDLWnmJn м3/с, где е - эксцентриситет;
D - диаметр статора;
Jn - коэффициент наполнения.
Коэффициент наполнения в свою очередь зависит от:
1) сопротивления впускных и выпускных окон (- площадь сечения впускных окон должна быть больше выпускных; подсоединения патрубков - по касательной к окружности корпуса);
2) наполнения камеры всасывания, которое должно быть максимальным и достигается за счет опережения открытия впускных окон, а затем запаздывания их закрытия, открытие -достижение пластиной впускного окна должно происходить с углом опережения в (рис. 4), а его перекрытие - с углом запаздывания а. Перекрытие объема камеры всасывания, обусловливает перенос выпускного отверстия на такой же угол а.
Рис. 4 Схема фаз газораспределения ротационнопластинчатого вакуумного насоса
Изыскиваемое техническое решение - изменение параметров вакуумного насоса с целью уменьшения нерабочего литража, снижения загруженности лопаток. Прогнозируемый технический результат заключается в общем снижении энергоемкости машины.
С целью снижения энергоемкости, увеличения производительности ротациоино-
пластинчатого насоса, произведена реконструкция корпуса, ротора и пластин, позволяющая уменьшить нерабочий литраж, снизить загруженность лопаток.
На рисунке 5 представлена схема ротационно-пластинчатого насоса.
Рис. 5 Схемы устройства ротационно-пластинчатого насоса с улучшенной герметизацией рабочих камер
Ротационно-пластинчатый насос содержит корпус 1, внутренняя часть которого выполнена в виде двух полых равноусеченных конусообразных овоидных геометрических тел, соединенных между собой меньшими основаниями (вершинами) [2]. Корпус имеет впускной канал 2, выполненный в центральной его части, и два выпускных канала 3, расположенных с торцов корпуса 1. С боков корпус закрыт двумя торцовыми крышками 4, имеющими сверления 5 для подвода смазывающих веществ к подшипникам 6 и эксцентрично расположенному относительно оси корпуса 1 ротору 7. Ротор 7 выполнен в виде усеченных конусов, соединенных вместе своими вершинами с углом конусности, равным углу расходящихся ветвей внутренней конусообразной части корпуса 1.
Ротор 7 выполнен как единое целое с валом 8 и имеет попарно выполненные пазы 9, соединенные между собой в средней части ротора внахлест (рис. 6), причем длина перекрытия должна быть несколько больше диаметра
ротационно-пластинчатого насоса
Пазы 9 выполнены трапециевидными с острым углом наклона относительно центра ротора 7 (рис. 7), равным углу расходящихся ветвей внутренней конусообразной части корпуса 1 и с заглублением у торцов ротора 7 в его вал 8 на глубину, превышающую величину
ротационно-пластинчатого насоса
В пазах 9 свободно размещены пластины 10. В целях универсализации пластин 10 и повторного их использования при выходе из строя верхней рабочей грани, пластина 10 выполнена в виде равнобокой трапеции (рис. 8), что позволяет, перевернув ее на 180°, сделать рабочей нижнюю грань.
Рис. 8 Пластина ротационно-пластинчатого насоса
В целях выполнения необходимого условия постоянного перекрытия пластинами зазоров в соединении вал 8 - торцовые крышки 4, их большие основания обращенные к торцовым крышкам 4 установленны с возможностью контактирования с последними. Эти основания изготовлены длиной, превышающей суммарную величину эксцентриситета и выступающей над валом части ротора. Наклонно выполненные грани пластины 10, а также пазов 9 ротора 7 в сочетании с поршневой работой пластина - паз, способствуют засасыванию смазывающих веществ в паз 9 при выходе пластины из него, а затем выдавливания с проталкиванием как по длине от его начала к центру ротора 7, так и между пластиной и пазом ротора. Такое конструктивное решение изготовления пазов позволяет уменьшить трение пластина - паз (ротор), улучшает равномерность смазки пластина - корпус, а значит, уменьшает в целом энергоемкость привода всего вакуумного насоса.
Ротационно-пластинчатый насос работает следующим образом.
При вращении ротора 7, эксцентрично расположенного относительно оси корпуса 1, пластины 10 периодически погружаются в пазы 9 или выходят из них за счет центробежных сил, плотно прижимаясь к внутренней части овоид-ноконусообразного корпуса 1, скользят по его конической поверхности до контакта (соприкосновения) своих боковых граней (основания трапеций) о торцовые крышки 4. При этом изменяется объем пространства, заключенного между двумя парами параллельных пластин, расположенных рядом. Этот объем (считая от наименьшего зазора между корпусом и ротором) за один оборот ротора 7 сначала увеличивается до максимального, равного объему, заключенному между пластинами 10 и наиболее удаленной от ротора 7 частью периметра овоид-ного корпуса 1, создавая разрежение между пластинами 10 на стороне всасывания. Затем объем уменьшается до минимального, равного объему зазора, заключенного между пластинами 10, ротором 7 и корпусом 1 (см. рис. 2). Поступивший "засосанный" воздух через впускной канал 2, выполненный в центральной наименьшего диаметра части корпуса 1, за счет разности диаметров как ротора 7, так и корпуса 1, а зна-
чит, и разности давлений, устремляется к торцовым крышкам 4 насоса, сжимается и под повышенным давлением выталкивается в атмосферу через каналы 3, расположенные с торцов корпуса 1.
Снижению загруженности лопаток (уменьшению энергоемкости, в том числе повышению эксплуатационной надежности) ротационно-пластинчатой машины способствует выполнение выпускных каналов с боков корпуса (то есть у торцовой его части), что значительно снижает максимальное выпускное давление за счет улучшения аэродинамических показателей насоса. При проворачивании ротора и увеличении объема рабочей камеры за пластинами образуется разрежение, которое заполняется воздушной средой через впускное отверстие, расположенное в центре насоса. В результате выполнения корпуса с увеличивающимся рабочим объемом к его торцовым крышкам разрежение - величина вакуума по всему его периметру не однозначна, в центральной части корпуса ротационнопластинчатого насоса величина давления несколько выше, нежели у его торцов. По этой причине воздушная среда, поступившая в рабочую камеру, разделяется на два потока и движется в ней более равномерно по винтовой линии от центра к периферии (к торцам корпуса), где затем через "увеличенные" выпускные (удлиненные по периметру "нерабочей" части корпуса насоса) отверстия каналов выталкивается в атмосферу. Пластины при этом испытывают гораздо меньшую нагрузку прижатия к стенкам пазов ротора, что увеличивает их работоспособность. Вторым фактором снижения загруженности лопаток (уменьшения энергоемкости, повышения эксплуатационной надежности устройства) является устранение условий защемления смазывающих веществ в коническом соединении: корпус - крышка. Смазывающие вещества, поступающие в рабочую камеру вакуумного насоса для смазки ее стенок, в случае выполнения выпускных каналов не у торцов корпуса, за счет центробежной силы и конусно выполненных торцовых расточек корпуса, накапливаются в них, и при проворачивании ротора с уменьшением рабочей камеры защемляются пластинами, что приводит к увеличению испытываемой ими нагрузки. Во втором предлагаемом варианте, эти включенные в воздушную среду масла удаляются вместе с нею через выпускные отверстия, выполненные в местах защемления.
Уменьшению энергоемкости (увеличению производительности) насоса способствует выполнение профиля корпуса, его поперечного
сечения, в виде овоида (замкнутой коробковой кривой), что позволяет увеличить объем камеры всасывания и значительно уменьшить пере-течки из зоны защемления воздуха - зоны давления в зону всасывания за счет устранения клинового зазора и возможности выдерживания однозначного радиального зазора ротор -корпус.
Уменьшение энергоемкости машины также связано с выполнением профиля корпуса в виде овоида, что в целом способствует уменьшению его "нерабочих" ("переменных") объемов, напрямую связанных с уменьшением общего литража насоса, прямо пропорционально влияющего на мощность, необходимую для его привода.
ВЫВОДЫ
1. Техническая разработка подтверждает теоретическое прогнозирование о возможности снижения энергоемкости ротационнопластинчатых вакуумных насосов за счет конструктивного изменения параметров насоса.
2. Предлагаемое техническое решение позволяет снизить энергоемкость - результат уменьшения нерабочего литража и снижения загруженности лопаток, повысить производительность, эксплуатационную надежность ротационно-пластинчатых насосов.
3. Ротационно-пластинчатый насос с параметрами поперечного сечения - овоид обладает меньшей энергоемкостью на единицу производительности.
4. При равнозначных технических характеристиках насосов (объемных, скоростных) их энергоемкость, производительность напрямую зависят от конструктивного выдерживания технологических размеров, мест подсоединения впускных и выпускных окон.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Ефименко, В.В. Движение центра масс системы материальных точек вакуумного насоса / В.В. Ефименко, Н.М. Подолько // Совершенствование электромеханизации и техногенные факторы в агропромышленном производстве Приморского края: сб. науч. тр. / ПГСХА.- Уссурийск, 2о08. - С. 107110.
2. Мельников, С. В. Механизация животноводческих ферм. - М.: Колос, 1969.- 262 с.
3. Моль, P. Гидропневмоавтоматика, перевод с фран.- М.: Машиностроение, 1975, с. 312
4. Патент RU № 2018035 МКИ F 04 C 2/344. Ротационно-пластинчатая машина / Н.М. Подолько, В.Н. Красковский (Россия). - № 4934948/29, заявл. 09.04.1991, опубл. 15.08.1994, Бюл. № 15.
38
