CC BY
23
УДК 637.116
ОБОСНОВАНИЕ ВЫБОРА РАСПОЛОЖЕНИЯ РОТОРА В КОРПУСЕ ПЛАСТИНЧАТОГО ВАКУУМНОГО НАСОСА
ДАШКОВ В.Н.,
доктор технических наук, профессор, директор Республиканского научно -производственного унитарного предприятия «Институт энергетики НАН Беларуси»; тел. 375(17)294-94-72; e-mail: Minsk.obl.znanie@tut.by.
АНТОШУК С.А.,
кандидат технических наук, доцент, зав. лабораторией Белорусской МИС; тел. З75 (17) 501-03-71; e-mail: santoshuk@rambler.ru.
ЗАХАРОВ В.В.,
ассистент кафедры технологий и механизации животноводства Учреждения образования «Белорусский государственный аграрный технический университет. 220023, Республика Беларусь, г. Минск, пр. Независимости, 99/5. Тел. З75 (17) 285-78-18; e-mail: vavanik2012@yandex.by.
Реферат. В статье проведен анализ конструктивных элементов вакуумного насоса, целью которого явилось уточнение соотношений и расчетов размеров элементов насоса, влияющих на его производительность. Описано теоретическое обоснование рациональности расположения ротора в статоре насоса, а так же расположение его всасывающих и выпускных окон. Из расчетов видно что, боковое расположение ротора по отношению к корпусу насоса считается нерациональным. В течение срока службы (3000 ч) максимальная радиальная качка шариковых подшипников вала ротора насоса не будет превышать 0,1 мм, и, следовательно, ротор не будет касаться цилиндра даже при незначительном зазоре 0,01 мм. Площадь проходного сечения впускного окна в нашем вакуумном насосе принята одинаковой по площади сечения двух выпускных окон. На скорость выброса воздуха это не влияет, но
влияет на уменьшение угла выхлопа а , тем самым увеличивая угол полного сжатия ап .
Ключевые слова: насос, вакуумная установка, эксцентриситет, ротор, всасывающее и нагнетающее окна, лопатка.
JUSTIFICATION OF THE CHOICE OF LOCATION OF THE ROTOR IN THE HOUSING OF THE VANE PUMP
DASHKOV V.N.,
doctor of technical Sciences, Professor, Director, Republican scientific production unitary enterprise "Institute of power engineering of NAS of Belarus" tel 375(17)294-94-72, e-mail Minsk.obl.znanie@tut.by.
ANTOSHUK, S.A.,
candidate of technical Sciences, associate Professor, head. Laboratory Belarusian MIS. Tel З75 (17) 501-03-71; e-mail: santoshuk@rambler.ru.
ZAKHAROV V.V.,
assistant, Department of technologies and mechanization of livestock educational Institution "Belarusian state agrarian technical University". 220023, Republic of Belarus, Minsk, Nezavisimosti Ave., 99/5. Tel З75 (17) 285-78-18.
Essay. In the article the analysis of structural elements of the vacuum pump, the purpose of which is to clarify the relations and calculations of the dimensions of the pump affecting its performance. Described theoretical substantiation of the rationality of the location of the rotor in the stator of the pump, as well as the location of its inlet and outlet ports. From calculations it is seen that the lateral location of the rotor relative to the pump casing is considered irrational. During service life (3000 h) maximum radial pitching the ball bearings of the rotor shaft of the pump will not exceed 0.1 mm, and hence the rotor will not touch the cylinder even when a slight clearance is 0.01 mm. the area of the flow inlet ports in our vacuum pump adopted the same cross-sectional area of the two outlet ports. The ejection velocity of air is not affected, but the effect on the decrease in the angle of the exhaust , thereby increasing the angle of total compression .
Keywords: pump, vacuum unit, eccentricity, rotor, suction and discharge Windows, paddle.
Введение. Вакуум-насосная станция является одной из главных составляющих любой доильной установки, основанной на принципе выведения молока из вымени коров под действием переменного разрежения. Используемые отечественные вакуумные станции
укомплектованы, как правило, водокольцевыми вакуумными насосами СН-60 производства Гомельского мотороремонтного завода или роторно-лопастными насосами типа УВУ-60/45, РВН-40 [1]. И те, и другие насосы имеют недостатки в сравнении с зарубежными
аналогами - насосами фирм De-Laval (Швеция), GEA Westfalia (Германия), Gascoigne Melotte (Голландия). Общий недостаток отечественных насосов - малая воз-духопроизводительность на единицу потребляемой мощности. Так, удельные затраты энергии на 1 м3 производительности в среднем составляют: у насосов фирм De-Laval - 0,041 кВт. ч/м3, Gascoigne Melotte - 0,042 кВт. ч/м, Fullwood - 0,047 кВт. ч/м, а у отечественных водокольцевых и пластинчато-роторных насосов этот показатель составляет 0,066 кВт. ч/м, что в 1,4-1,6 раза выше, чем у зарубежных. Годовое потребление энергии одним отечественным насосом производительностью 60 м /ч на 3,3 тыс. кВт. ч больше, чем насосами зарубежного производства. В целом, по республике по этой причине перерасход электроэнергии (на 1,3 млн. дойных коров) составляет 50 млн. кВт. Ч, чему должно быть уделено пристальное внимание.
Причиной высокого расхода энергии вакуумными насосами доильных установок является необходимость запаса производительности вакуумного насоса для возмещения случайных подсосов воздуха в вакуумирован-ную систему доильной установки. В соответствии с нормативной документацией этот запас производительности должен составлять не менее 20 % от производительности насоса. Исключение необходимости или снижение величины запаса производительности насоса является одним из путей экономии энергоресурсов при доении животных [2].
Основная часть. На производительность насоса влияют геометрические параметры насоса, которые можно разделить на две группы: прямого воздействия (размер рабочих элементов прямо влияет на производительность) и косвенного (влияние формы и расположения отдельных элементов). К первым следует отнести диаметры и длину статора и ротора, величину эксцентриситета и частоту вращения ротора насоса, количество лопаток. Это видно из приведенной формулы теоретической производительности насоса [3]:
V = 10 • е • n • L
12 (жБ - Sz )--(D + 4е)
z
(1)
где УТ - производительность вакуумного насоса, м /ч С - величина эксцентриситета ротора (е =0,07D): п -число оборотов ротора, об/мин.(1250 об/мин); L - длина цилиндра насоса, м; D - диаметр цилиндра, м; S - толщина пластины, м; z - число пластин ^=4 шт).
Отношение длины цилиндра насоса к его диаметру: Ь
^ = 0,5...2,1 (2)
Отношение радиуса ротора к радиусу цилиндра:
r
— = 0,86 R
(3)
Или эксцентриситет :
е = Я - г = 0,14Я (4)
Отношение ширины пластины к удвоенному эксцентриситету:
— = 1,9 2е
В насосах, предназначенных для доильных установок, как правило, устанавливается 4 лопатки в пазы ротора из-за не создания ими глубокого вакуума в пределах 1,5 атм. и вращением ротора 1250 об/мин.
Подставляя полученные соотношения в формулу производительности (1) выражение примет вид: , £ Ут = 4307,2Я при ^=1,85
Из полученного выражения видно, что наибольшая зависимость произв одительности насоса достигается из-за увеличения радиуса цилиндра насоса. Но не мало важное значение на увеличение производительности оказывает частота вращения ротора, а так же число лопаток, с помощью которых увеличивается количество объемов ячеек воздуха переносимого лопатками.
Подставив в полученное выражение радиус цилиндра 0,1 метра разработанного вакуумного насоса НВУ-2,8 сотрудниками НАН РБ по механизации сельского хозяйства совместно с сотрудниками БГАТУ , в составе вакуумной станции СВЭ-1, получим теоретическую производительность и 4,3 м3/мин, что на 0,2 м3/мин меньше действительной.
Техническая характеристика насоса приведена в таблице 1 [4].
Таблица 1 НВУ-2,8
Техническая характеристика насоса
где r - радиус ротора, м; R - радиус цилиндра, м.
Наименование параметра Значение параметра
Производительность, м3/мин, не менее: - при разряжении 50 кПа - частоте вращения ротора 1250±50 об/мин - атмосферном давлении 100 кПа - температуре воздуха 200 С 4,5
Максимальная частота вращения ротора, об/мин, не более 1500
Условный проход впускного отверстия, мм 80
Условный проход выпускного отверстия, мм 45/2 отв.
Масса, кг, не более 120
Габаритные размеры, мм, не более
длина ширина высота 520 315 315
Потребляемая мощность, кВт, не более 5,5
Расход электроэнергии на 1 м3 воздуха, кВт/ч, не более 0,04
Рисунок 1 - Схема сил, действующих на ротор при работе насоса
Действительная производительность Уд насоса меньше теоретической и зависит от коэффициента подачи 1, т.е.:
Уд = 1Ут , (5)
V
4,3
отсюда 1 = — = -г-: = 0,955
V
4,5
Такое значении коэффициента говорит о наилучшем соотношении всех геометрических параметров, как рабочих элементов насоса так и формы и расположения некоторых элементов конструкции насоса, влияющих на его производительность [5].
Однако коэффициент подачи может резко падать у конструктивно подобных насосов из-за второй группы геометрических параметров, косвенно влияющих на производительность насоса и его надежность.
Расположение кромок впускных и выпускных окон характеризуется фазами газораспределения (рисунок 1).
Угол О в зоне защемленного объема колеблется в больших пределах. При 7<10 угол вредного пространства рекомендуют принимать равным (1,0-2,5) Д. То есть фактически от 40 до 90°. Этот угол равен сумме двух
углов 82 и 83. При угле 82 совершается процесс расширения воздуха, перенесенного из полости нагнетания, а83 - угол сжатия воздуха в защемленном объеме в момент нагнетания. Углы 82 и 83 выбираются из конструктивных соображений, а имеющиеся рекомендации по данному вопросу относятся к насосам с большим числом пластин 7=20-30 и не могут быть использованы для вакуумных насосов доильных установок с малым числом пластин 7=4.
Угол 82 влияет на температурный режим насоса. Малое значение этого угла (менее 30°) снижает производительность насоса примерно на 8 %. При увеличении угла (более 90°) уменьшается температура нагрева корпуса
Рисунок 2 - Схема фаз воздухораспределения в насосе
насоса, но повышается потребляемая мощность. Рекомендуется принимать угол обратного расширения
О = Д/2. Величина угла 83 принимается равной 5-25°
при любом числе пластин (рисунок 2).
Этот угол в зоне защемления мало влияет на производительность насоса, так как в момент разобщения полости насоса с нагнетательным окном воздух вытекает через зазоры, давление защемленного объема резко падает.
В вакуумных насосах с малой частотой вращения нижнюю кромку всасывающего окна целесообразно располагать так, чтобы угол о1 = Д/2. Такое конструктивное решение способствует разобщению ячейки со всасывающим патрубком в момент достижения ячейкой своего максимального объема. В вакуумных насосах с большой частотой вращения (п > 2000 об/мин) угол о1 = Д/2 должен быть несколько меньше (с запаздыванием). Изменение угла (Т1 в пределах 37-41 ° мало влияет на быстроту действия насоса [3].
Поэтому угол О целесообразно выбирать на 3-5°
меньше, чем Д / 2, так как при этом происходит более полное наполнение ячеек воздухом и имеет место запаздывание процесса всасывания.
Полный угол сжатия а характеризует угол поворота
ротора относительно корпуса насоса от точки конца всасывания до начала нагнетания (рисунок 2). Оптимальное значение угла а зависит от конструктивных особенностей насоса, монтажных зазоров и системы смазки. Меняется полный угол сжатия а в интервале 137-165° и, соответственно, угол сжатия = 47-75°). Положение
верхней кромки нагнетательного окна определяют по приближенной зависимости:
я
а =о+Ф = 45° + 60° + 45° = 150°
п 1 тсж
I
Форма и сечение впускных и выпускных окон, а также их размещение на корпусе оказывают существенное
влияние на конструктивно-энергетическую характеристику насоса и, в частности, на избыточное давление в насосе, необходимое для выталкивания воздуха в атмосферу. Форму окон часто выбирают из технологических соображений, без учета других факторов. Круглая, овальная, прямоугольная или треугольная форма каналов всасывающего или выхлопного в корпусе насоса влияет на скорость всасывания и выхлопа, но часто, с точки зрения технологии изготовления, пренебрегается, ввиду сложности точения такого канала. Наибольшее распространение сечения каналов получило круглое. Площадь проходного сечения впускного окна в нашем вакуумном насосе принята одинаковой по площади сечения двух выпускных окон (рисунок 1). На скорость выброса воздуха это не влияет, но влияет на уменьшение угла выхлопа а , тем самым увеличивая угол полного сжатия а •
С целью обоснования выбора расположения ротора в насосе рассмотрена схема действия сил на него при нагрузке насоса и определены их равнодействующие, а также показано влияние последних на величину радиального зазора. Для определения действующих сил приняты два исходных положения лопаток ротора 1-2 и 3-4, соответствующих выхлопу и сжатию воздуха (рисунок 3).
При верхнем расположении ротора, когда его лопатки находятся в положении 1-2,он испытывает давление воздуха по линии ¡1, в результате чего на центр ротора действует сила:
q = ¡1Ьр = 13- 20 • 0,5 = 130 кг , где 1ХЬ - проекция поверхности ротора, см2 р - удельное давление (0,5 кг/см2). Складывая геометрическую силу q1 с весом ротора q2=12 кг, получим равнодействующую силу Я =135 кг.
При дальнейшем повороте ротора лопатки займут положение 3-4 (сжатие воздуха). В этот момент на центр ротора будут действовать силы:
= ¡2Ьр = 7,8 • 20 • 0,5 = 78 кг q4 = ¡¡Ьр = 11 • 20 • 0,6 = 132 кг Складывая геометрические силы q3 и q4, получим равнодействующую силу q5, а при сложении последней с силой q2, получим равнодействующую силу Я2=160 кг.
Следовательно, при работе насоса к центру ротора будет приложена равнодействующая, которая будет изменяться по величине от Я1=135 кг до Я2=160 кг и по направлению - в пределах небольшого угла.
Так как сжатие воздуха происходит через 0,01 сек., то можно считать, что на центр ротора действует максимальная пульсирующая сила Я2=160 кг. Эту силу воспринимают подшипники вала ротора. Аналогичным способом определяются равнодействующие Я2 при нижнем и боковом расположении роторов, которые будут соответственно равны 160 и 170 кг.
Из сопротивления величины Я2 следует признать боковое расположение ротора нерациональным.
При наличии радиальной качки подшипников центр ротора насоса будет перемещаться по направлению равнодействующей Я2.
При наличии радиального зазора А между ротором и цилиндром под действием горизонтальной силы Я2 центр ротора должен переместиться из точки М на величину X, чтобы ротор мог коснуться цилиндра в точке Т (рисунок 1). Величину перемещения X центра ротора можно определить по формуле:
х = Л/л(л+2ее
где е - эксцентриситет, равный 14,5 мм.
1 - ротор, 2 - корпус, 3 - гильза, 4 - рым-болт, 5 - нижняя лопатка, 6 - верхняя составная лопатка, 7 - выпускные окна, 8 - масленка, 9 - торцевая крышка, 10 - впускное окно, 11 - пружина
Рисунок 3 - Насос пластинчато-роторный, модернизированный НВУ-2,8
Таблица 2 - Фактические и рекомендуемые геометрические параметры и фазы воздухораспределения вакуумного насоса НВУ-2,8
Наименование параметра Значение параметра фактического Значение параметра расчетн°г°
Диаметр корпуса, мм 200 200
Диаметр ротора, мм 185,5 185,5
Эксцентриситет, мм 14,5 14,5
Производительность геометрическая, м3/мин 4,5 4,3
Коэффициент подачи Л 0,955
Угол обратного расширения < 27,5° 30°
Угол всасывания <вс 97,5° 100°
Полный угол сжатия <х 150° 150°
Угол между нижней кромкой впускного окна и биссектрисой < 45° 45°
Угол сжатия рсяс 60° 60°
Угол нагнетания <Хнаг 77,5° 70°
Угол выпуска < 50° 40°
Угол сжатия защемленного объема <Г3 32,5° 10°
Угол вредного пространства < 60° 40°
Угол между двумя соседними пластинами Р 90° 90°
но уменьшить до 40° за счет уменьшения угла сжатия защемленного объема <3 до 10°. Исходя из величины равнодействующей силы Л2, действующей на ротор, следует признать боковое расположение ротора по отношению к корпусу насоса нерациональным. При наличии радиальной качки подшипников центр ротора насоса будет перемещаться по направлению равнодействующей Я2. В течение срока службы (3000 ч) максимальная радиальная качка шариковых подшипников не будет превышать 0,1 мм и, следовательно, ротор не будет касаться цилиндра даже при незначительном зазоре 0,01 мм. Независимо от расположения ротора, зазор между роторами и цилиндрами в точке М необходимо оставлять минимальным.
Список используемых источников
1. Антошук С.А., Сорокин Э.П. Конструктивные особенности и эксплуатационные показатели вакуумной станции СВЭ // Научно-технический прогресс в сельскохозяйственном производстве: материалы Международной научно-практической конференции: в 3 т. - Минск, НПЦ НАН по механизации с.-х. - 2014. - Т. 3. - С. 77-83.
2. Дашков В.Н., Китиков В.О., Сорокин Э.П. Технология и оборудование для доения коров. - Минск: Учебно-методический центр Минсельхозпрода, 2007. - 175 с.
3. Мжельский Н.И. Вакуумные насосы для доильных установок. - М.: Машиностроение, 1974. - 151 с.
4. Руководство по эксплуатации. Насос пластинчато-роторный вакуумный НВУ-2,8. ОАО «Технолит». - Полоцк, 2010. - 31 с.
5. Дашков В.Н., Антошук С.А., Захаров В.В. Преимущества вакуумного насоса для доильных установок со сдвоенным, составным рабочим органом // Вестник Курской государственной сельскохозяйственной академии. -2016. - № 4.- С.71-73.
6. Пат. 9646 РБ, МПК F 04C 18/00. Пластинчато-роторный вакуумный насос / В.Н. Дашков, В.В. Захаров, (BY). - Заявитель Белорусский государственный аграрно-технический университет. - № u20130360; заявл. 23.04.2013; опубл. 22.07.2013. // Официальный бюл. / Нац. центр интеллектуальной собственности - 2013. - № 2. - С. 35.
7. Дашков В.Н., Захаров В.В., И.Н. Ковалевич Повышение эффективности работы вакуумного насоса доильного оборудования: материалы Международной научно-технической конференции в 2 т «Актуальные проблемы и инновационная деятельность в агропромышленном производстве». - Курск: Изд-во: Курск. гос. с.-х. ак., 2015. - 225-231 с.
8. Китиков В.О. Ресурсоэффективные технологии производства молока. - Нац. Академия наук Беларуси, «НПЦ НАН Беларуси по механизации с.-х.». - Минск, 2011. - 233 с.
Так, например, если зазор будет составлять 0,01 мм, то центр ротора должен переместиться на 0,4 мм. В течение срока службы (3000 ч) максимальная радиальная качка шариковых подшипников не будет превышать 0,1 мм и, следовательно, ротор не будет касаться цилиндра даже при таком незначительном зазоре.
У нашего насоса сила направлена ниже линии Х-Х. Поэтому до соприкосновения в точке Т требуется еще большее перемещение центра ротора.
Выводы. Наибольшая зависимость производительности вакуумного насоса от следующих геометрических параметров: радиуса цилиндра насоса, частоты вращения ротора и числа лопаток, с помощью которых увеличивается количество объемов ячеек воздуха, переносимого лопатками. Угол вредного пространства <, влияющий на температурный режим насоса, желатель-
List of sources used
1. Antoshuk S.A., Sorokin E.P. Design features and performance indicators of the vacuum station SVE // Scientific and technical progress in agricultural production: materials of the International Scientific and Practical Conference: 3 tons -Minsk, NPC NAS on mechanization of agricultural production. - 2014. - T. 3. - P. 77-83.
2. Dashkov V.N., Kitikov V.O., Sorokin E.P. Technology and equipment for milking cows. - Minsk: Educational and methodological center of the Ministry of Agriculture and Food, 2007. - 175 p.
3. Mszhelsky N.I. Vacuum pumps for milking machines. - Moscow: Mashinostroenie, 1974. - 151 p.
4. Instruction manual. The pump is plate-rotary vacuum HBy-2,8. JSC "Technolit", Polotsk, 2010. - 31 p.
5. Dashkov V.N., Antoshuk S.A., Zakharov V.V. Advantages of the vacuum pump for milking plants with a twin, composite working organ // Bulletin of the Kursk State Agricultural Academy. - 2016. - No. 4.- P.71-73.
6. Pat. 9646 RB, MPC F 04 C 18/00. Plate-rotor vacuum pump / VN. Dashkov, V.V. Zakharov, (BY). - Applicant Bel-arusian State Agrarian and Technical University. - No. u20130360; Claimed. 04/23/2013; Publ. 07/22/2013. // Official Bulletin. / National. Center for Intellectual Property - 2013. - No. 2. - P. 35.
7. Dashkov V.N., Zakharov V.V., Kovalevich I.N. Improving the efficiency of the vacuum pump milking equipment: materials of the International Scientific and Technical Conference in 2 tons "Actual problems and innovation in agro-industrial production." - Kursk: Publishing house: Kursk. State. S.-. Ak., 2015. - 225-231 p.
8. Kitikov V.O. Resource efficient milk production technologies. - The national. Academy of Sciences of Belarus, "NPC NAS of Belarus on mechanization of agricultural production". - Minsk, 2011. - 233 p.
