CC BY
47
УДК 621.659
РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО ВАКУУМНОГО НАСОСА ШЛАНГОВОГО ТИПА ДЛЯ ДОИЛЬНЫХ УСТАНОВОК
© 2016 г. И.Н. Краснов, Р.В. Копица
Эффективность работы доильных установок и технологии машинного доения в целом определяется в большей степени постоянным вакуумным режимом в технологических линиях доильных установок различных модификаций, в том числе малогабаритных. Низкоэффективная работа доильных установок в первую очередь объясняется нарушениями вакуумного режима. В результате исследований решены следующие задачи: а) определены физико-механические свойства материалов насоса в условиях работы под воздействием вакуума; б) установлены регрессионные зависимости для определения объемной подачи вакуумного насоса шлангового типа с учетом всех влияющих на нее факторов; в) определена сила сопротивления движению ролика ротора по рабочей эластичной оболочке в зависимости от типа используемого материала и противодавления в корпусе насоса; г) уточнены закономерности деформации эластичной оболочки насоса. Объемная подача вакуумного насоса и глубина вакуума может меняться за счет изменения площади сечения входного патрубка. Сила сопротивления качению ролика ротора по деформируемой эластичной оболочке при установившемся движении зависит от диаметра и коэффициента объёмного смятия оболочки, ширины смятого шланга и от вертикальной нагрузки на оболочку со стороны ролика. Нагружение шланга, как гибкой оболочки, внутренней равномерно рассредоточенной силой, может обеспечить сохранение или даже повышение площади его сечения, что увеличивает подачу шлангового насоса. Проведенные исследования позволяют выделить те параметры, которые в большей степени влияют на рабочий процесс насоса. К таковым можно отнести: частоту вращения; степень разряжения (глубина вакуума); тип шланга, основным параметром которого является его внутренний диаметр; количество рабочих шлангов.
Ключевые слова: насос, вакуум, шланг, подача, ролик, колебание, диаметр, частота, нагрузка, деформация.
The effectiveness of operation of milking machines and milking machine technology in general is determined largely by permanent vacuum mode in technological line of various modifications milking plants, including compact ones. Inefficient operation of milking machines is primarily due to violations of the vacuum mode. As a result of research there were solved the following problems: a) there were determined the physical and mechanical properties of the pump materials working under vacuum exposure conditions; b) there was set of regression relationships to determine the volumetric flow of the vacuum pump of a peristaltic type, taking into account all the factors affecting it; c) there was defined resistance force to rotor roller movement across the working elastic shell depending on the type of used material and the pressure in the pump housing; g) there was clarified the laws of elastic deformation of the membrane pump. Volumetric flow vacuum pump and vacuum level can be varied by changing the inlet cross-sectional area. The strength of the resistance to rolling of the rotor roller across deformable elastic shell under steady movement depends on the diameter and the coefficient of volumetric shell crushing, crumpled hose width and the vertical load on the shell from the roll. The loading of hose as flexible sheath by inner uniformly dispersed force, can be achieved by maintaining or even increasing its sectional area, which increases the flow of a peristaltic pump. The conducted research allows identifying those parameters that largely affect the workflow of the pump. They may include: rotational speed; the degree of rarefaction (degree of vacuum); type of hose, the main parameter of which is its internal diameter; the number of working hoses.
Keywords: pump, vacuum, hose, pitch, roll, oscillation, diameter, frequency, load, deformation.
Введение. Эффективность работы доильных установок и технологии машинного доения в целом определяется в большей степени постоянным вакуумным режимом в технологических линия доильных установок различных
модификаций, в том числе малогабаритных.
Анализ исследований
отечественных и зарубежных учёных в
области машинного доения коров показал, что даже незначительное нарушение параметров вакуумного режима доильной установки приводит к росту маститных заболеваний коров, тем самым снижая их продуктивность и качество молока.
Низкоэффективная работа доильных установок в первую очередь объясняется нарушениями вакуумного режима.
Надежность вакуумного насоса определяется его подачей, что в свою очередь обеспечивает сохранение постоянного вакуумного режима в процессе использования доильной установки. В этом отношении значительный интерес представляет шланговый насос, исследованию которого посвящена настоящая работа.
Методика исследования. При проведении исследований решены следующие задачи: а) определены физико-меха-нические свойства материалов насоса в условиях работы под воздействием вакуума; б) установлены регрессионые зависимости для определения объемной подачи вакуумного насоса шлангового типа с учетом всех влияющих на нее факторов;
в) определена сила сопротивления движению ролика ротора по рабочей эластичной оболочке в зависимости от типа используемого материала и противодавления в корпусе насоса; г) уточнены закономерности деформации эластичной оболочки насоса.
В опытах использован шланговый насос перистальтического типа по патенту № 2480626 «Ротационный вакуумный насос шлангового типа». Особенностью его
4
Для записи выходных значений исследуемого объекта использовался аналогово-цифровой преобразователь АЦП ЛА-50ШВ. Этот прибор предназначен для
является наличие трех секций, обеспечивающих получение разрежения различного уровня, и вакуумирование корпуса насоса со шлангами, что позволяет устранить перепад давлений на шланги и снизить поперечные нагрузки на них.
На рисунке 1 представлена общая схема экспериментальной установки.
Подача ротационного вакуумного насоса шлангового типа измерялась индикатором ротаметрического типа РМ-А-0,25. Основная допустимая погрешность такого ротаметра составляет 2,5%, что вполне допустимо для данных измерений.
Глубина вакуума измерялась вакуумметром образцовым МТИ 1216 ГОСТ-ТУ 25-05-1664-74 с погрешностью до 1%.
В качестве ревизионного
вакуумметра и регулятора расхода воздуха служил индикатор производительности вакуумных насосов КИ-4840м (ТУ 10-ЭД1.16.0004.176 -88) с вакуумметром МПЗ-УУ2.
Число оборотов ротора насоса регулировалось с помощью вариатора 3 и измерялось тахометром часовым марки ТЧ10-Р по ГОСТ 21339-75. Подача насоса изменялась в основном регулировкой частоты вращения его ротора.
5
работы в качестве внешнего устройства совместно с ПК типа IBM PC. Основное назначение прибора - преобразование непрерывных (аналоговых) входных
1 - вакуумный насос; 2 - электродвигатель постоянного тока; 3 - цепной вариатор; - вакуумный трубопровод; 5 - образцовый вакуумметр; 6 - индикатор расхода воздуха;
7 - выпускной патрубок с глушителем Рисунок 1 - Общая схема экспериментальной установки
сигналов в цифровую форму, удобную для дальнейшей обработки сигналов при помощи ПК.
Определение основных механических свойств твердых материалов
осуществлялось с помощью
микротвердомера ПМТ-3М (ГОСТ 786577), который предназначен для определения микротвердости металлов, сплавов, минералов и других материалов методом вдавливания в испытуемый материал алмазного наконечника с квадратным основанием типа НПМ по ГОСТ 9377-8, с последующим измерением диагоналей, полученного отпечатка,
винтовым окулярным микрометром МДВ-1-16.
Усилие, прилагаемое роликом для передавливания рабочего шланга, измерялось динамометром.
Результаты исследований. В основу исследования шланговых вакуумных насосов положено изучение осциллограмм давления с момента пуска насоса до его отключения. Анализируя полученные данные, установлено, что имеется начальный (разогревочный) этап, в течение которого насос достигает тех показателей, которые присущи непосредственно рабочему этапу, и заключительный (рисунок 2).
Г,С
30 20 10 О
д \\
\ \ о \
N —. ___
-5 0 5 10 15 20 и °С
---эксперимент, насос
-прототип
Рисунок 2 - Зависимость продолжительности разогревочного этапа от температуры окружающего воздуха
При работе насоса во всасывающем патрубке первой секции насоса происходят колебания давления, а соответственно и подачи вакуумного насоса. Соответственно изменение параметров давления происходило также во 2-й и 3-й секциях насоса (хотя и в меньшей степени). Анализируя данный процесс и сопоставив колебания с частотой вращения ротора насоса, можно сделать вывод о том, что перепад давления в корпусе исследуемого насоса и в эластичной оболочке подвергает оболочку растяжению, а не сжатию, как в серийных насосах. Данное увеличение
объёма эластичной оболочки способствует некоторому повышению подачи
шлангового насоса.
При уменьшении числа оборотов ротора, колебания глубины вакуума во всасывающем патрубке 1-й секции насоса АР увеличиваются. Многократный повтор опыта не продемонстрировал точной зависимости колебания глубины вакуума от числа оборотов ротора насоса, но всё же позволил определить примерный диапазон этих значений (рисунок 3).
АР, кПа
12.5 10 7.5 5
2.5
44V
100 200 300 400 500 п
об/мин
Рисунок 3 - Зависимость колебаний глубины вакуума от числа оборотов ротора насоса
Колебания глубины вакуума на разогревочном этапе также больше, чем в режиме нормальной работы. В режиме нормальной работы насоса (п = 450-550) максимальные колебания глубины вакуума во всасывающем патрубке 1-й секции составляют менее 5 кПа, что не влияет на выполнение необходимых
технологических операций доильным аппаратом и установкой, но требует дополнительных механизмов для их сглаживания, в том числе обратных клапанов.
Основным параметром,
характеризующим работу шлангового вакуумного насоса, является его объемная подача. Она зависит от геометрических размеров насоса (рисунок 4), шланга, неиспользуемого участка корпуса насоса, играющего роль статора и качества материала, из которого изготовлена эластичная оболочка. В настоящем исследовании рассматривается ещё один фактор, влияющий на объемную подачу насоса - перепад давлений, возникающий
S, м 3/ч
3
2 1
из-за разницы степени разряжения внутри эластичной оболочки и снаружи её (корпусе насоса). Отсутствие
атмосферного давления внутри корпуса насоса позволяет уменьшить затраты мощности на привод насоса.
Разница между экспериментальными и теоретическими значениями величины объемной подачи объясняется
неучтенными утечками и подсосами воздуха в вакуумной системе, с которой проводились опыты.
Влияние на объемную подачу насоса размеров используемых роликов насоса происходит из-за изменения
неиспользуемой длины рабочего шланга 1р, исключающего некоторый объем эластичной оболочки и объем переходной фигуры в сжимаемом ролике шланга. Зависимость объемной подачи насоса от внешнего диаметра ролика ротора показана на рисунке 5. При этом использованы материалы шлангов, механические характеристики которых представлены в таблице. — теоретич. ■ — жен ер им.
- -— '
11 (12) 13 №) (15) 16 d, мм
1 - при п = 450 мин-1; 2 - при п = 550 мин-1
Рисунок 4 - Зависимость объемной подачи шлангового вакуумного насоса от внутреннего диаметра эластичной оболочки
Основные механические характеристики резин, используемых в экспериментальных исследованиях
Тип Тип Твёрдость Эластичность Е105, ц (экспери-
шланга каучука по ТМ-2 по отскоку Н/м2 ментальное)
А НК 38 - 42 46 - 50 14 0,495
В НК+СКС-10 50 - 52 44 - 48 24 0,480
С СКС-10 60 - 65 35 - 38 37 0,470
S, м3/ч
2.0
1.5
7
17
18 dn
мм
а
S, м3/ч
б
1 - при п = 450 мин-1; 2 - п = 550 мин-1;
а - для шланга А; б - для шланга В; в - для шланга С;
- теоретич.;------------эксперимент
Рисунок 5 - Зависимость объёмной подачи Известно, что глубина вакуума, так же как и объемная подача, является одним из основных факторов.
Зависимость объемной подачи от глубины создаваемого вакуума при использовании рабочих шлангов различных типов и размеров в качестве
насоса от внешнего диаметра ролика ротора эластичной оболочки представлена на рисунке 6.
При увеличении глубины вакуума объем эластичной оболочки незначительно увеличивается. Это происходит за счет разности давлений внутри оболочки и в корпусе насоса. Данная разница составляет 5-10%.
в
а
S, м3/ч
3,5 3.0
W 4_? 45 47 51Р.кПа б
—6 M
____É
40 43 45 47 49 51 Р,кПа
а - для рабочего шланга типа А; б - для рабочего шланга типа В; в - для рабочего шланга типа С; о - экспериментальные данные; □ - теоретические данные; 1 - п = 450 мин-1; 2 - при п = 550 мин-1 Рисунок 6 - Зависимость объемной подачи насоса от глубины вакуума диаметра эластичной оболочки
в
Далее определена подача насоса в зависимости от диаметра ротора. При проведении опытов было выявлено, что увеличение диаметра ротора насоса при постоянных геометрических параметрах корпуса насоса влечет за собой повышение степени сжатия эластичной оболочки.
Соответственно увеличивается объем перекачиваемого воздуха за счет более полного соприкосновения их в месте контакта. Зависимость объемной подачи от диаметра ротора насоса представлена на рисунке 7.
■ теоретич.
■ зксперип
D, мм
1 - при п = 450 мин"1; 2 - п = 550 мин"1 Рисунок 7 - Зависимость объемной подачи от диаметра ротора насоса
Анализируя полученные данные, можно отметить, что изменение диаметра ротора насоса приводит к небольшому увеличению подачи шлангового насоса при одном и том же диаметре шланга.
Проведенные исследования
позволяют выделить те параметры, которые в большей степени влияют на
рабочий процесс насоса. К таковым можно отнести: частоту вращения п; степень разряжения (глубина вакуума); тип шланга, основным параметром которого является его внутренний диаметр dм; количество рабочих шлангов г.
Выводы. Нагружением шланга, как гибкой оболочки, внутренней равномерно
рассредоточенной силой, можно обеспечить сохранение или даже повышение площади его сечения, что увеличивает подачу шлангового насоса.
Исходя из рациональных значений на ремонт, указаны следующие параметры:
- частота вращения - 450 об/мин;
- диаметр ролика - 19 мм;
- внешний диаметр шланга - 23 мм;
- конструкция ролика - отдельный ролик на каждый шланг.
Объемная подача вакуумного насоса и глубина вакуума могут меняться за счет изменения площади сечения входного патрубка.
Сила сопротивления качению ролика ротора по деформируемой эластичной оболочке при установившемся движении зависит от диаметра и коэффициента объёмного смятия оболочки, ширины смятого шланга и от вертикальной нагрузки на оболочку со стороны ролика.
Литература
1. Патент № 88748 Российская Федерация. Ротационный вакуумный насос перистальтического действия / Глобин А.Н., Краснов И.Н., Удовкин А.И., Тюрин А.И.; заявитель и патентообладатель Азово-Черноморская гос. агроинж. академия. -№ 2009124386/09; заявл. 25.06.09; опубл. 20.11.09.
2. Патент № 2480626 Российская Федерация. Ротационный вакуумный насос шлангового типа / Копица Р.В.; заявитель и патентообладатель Азово-Черноморская гос. агроинж. академия. - № 2011144712/11; заявл. 03.11.11; опубл. 27.11.11.
3. Мжельский, Н.И. Вакуумные насосы для доильных установок / Н.И. Мжельский. - Москва: Машиностроение, 1974.
4. Вольмир, А.С. Устойчивость деформируемых систем / А.С. Вольмир. -Москва: Наука. Главная редакция физико-механической литературы, 1967. - 984 с.
5. Вольмир А.С. Гибкие пластики и оболочки / А.С. Вольмир. - Москва: Гостехиздат, 1956. - 413 с.
6. Веденяпин, Т.В. Общая методика экспериментального исследования и обработки опытных данных / Т.В. Веденяпин. - Москва: Колос, 1973. - 199 с.
7. Bredel high-pressure hoses. -Электрон. дан. - 2003. - Режим доступа: http://www.watson-marlow.com/wmb-gb/ phoses.htm. - Загл. с экрана.
8. CHEM-SURE Peristaltic Pum Tubes.
- Электрон. дан. - 2003. - Режим доступа: http://www.watson-marlow.com/pdfs-global/ b-chemsure-us.pdf. - Загл. с экрана.
9. Pumpsil platinum-cured silicone tubing. - Электрон. дан. - 2003. - Режим доступа: http://www.watson-marlow.com/pdfs- global/b-pumpsil-gb-0l.pdf.
- Загл. с экрана.
10. STA-PURE Peristaltic Pump Tubes.
- Электрон. дан. - 2003. - Режим доступа: http://www.watson-marlow.com/pdfs-global/b-stapure-gb.pdf. - Загл. с экрана.
References
1. Patent No. 88748 Rossijskaja Fede racija. Rotacionnyj vakuumnyj nasos peristal'ticheskogo dejstvija [The rotary vacuum pump of the peristaltic action], Globin A.N, Krasnov I.N, Udovkin A.I, Tjurin A.I., zajavitel' i patentoobladatel' Azovo-Cherno-morskaja gos. agroinzh. akademija, No. 2009124386/09, zajavl. 25.06.09, opubl. 20.11.09.
2. Patent No. 2480626 Rossijskaja Fede-racija. Rotacionnyj vakuumnyj nasos shlangovogo tipa. [The rotary vacuum pump of a peristaltic type], Kopica R.V. zajavitel' i patentoobladatel' Azovo-Chernomorskaja gos. agroinzh. akademijа, No. 2011144712/11, zajavl. 03.11.11, opubl. 27.11.11.
3. Mzhel'skij N.I. Vakuumnye nasosy dlja doil'nyh ustanovok [Vacuum pumps for milking machines], Moscow, Mashino-stroenie, 1974.
4. Vol'mir A.S. Ustojchivost' deformi-ruemyh system [Stability of deformable systems], Moscow, Nauka. Glavnaja redakcija fiziko-mehanicheskoj literatury, 1967, 984 р.
5. Vol'mir A.S. Gibkie plastiki i obo-lochki [Flexible plates and shell], Moscow, Gostehizdat, 1956, 413 р.
6. Vedenjapin T.V. Obshhaja metodika jeksperimental'nogo issledovanija i obrabotki opytnyh dannyh [The general procedure of experimental research and processing experimental data], Moscow, Kolos, 1973, 199 p.
7. Bredel high-pressure hoses: Jelektron, dan., 2003, available at: http://www.watson-marlow.com/wmb-gb/p-hoses.htm, zagl. s jekrana.
8. CHEM-SURE Peristaltic Pum Tubes, Jelek-tron. dan., 2003., available at: http://www.watson-marlow.com/pdfs-global /b-chemsure-us.pdf, zagl. s jekrana.
9. Pumpsil platinum-cured silicone tubing, Jelektron. dan., 2003., available at: http://www.watson-marlow.com/pdfs-global/ b-pumpsil-gb-0l.pdf, zagl. s jekrana.
10. STA-PURE Peristaltic Pump Tubes, Jelektron, dan, 2003, available at: http://www.watson-marlow.com/pdfs-global/ b-stapure-gb.pdf, zagl. s jekrana.
Сведения об авторе
Краснов Иван Николаевич - доктор технических наук, профессор кафедры «Механизация и технологии производства и переработки сельскохозяйственной продукции», Азово-Черноморский инженерный институт - филиал ФГБОУ ВО «Донской государственный аграрный университет» в г. Зернограде (Ростовская область, Россия). Тел. 8-928-137-98-08. E-mail: krasnov1310@rambler.ru.
Копица Руслан Валерьевич - инженер, старший лаборант кафедры «Механизация и технологии производства и переработки сельскохозяйственной продукции», Азово-Черноморский инженерный институт - филиал ФГБОУ ВО «Донской государственный аграрный университет» в г. Зернограде (Ростовская область, Россия). Тел.: 8-906-428-29-22. E-mail: kopitsa_ruslan@mail.ru.
The information about the authors
Krasnov Ivan Nikolaevich - Doctor of Technical Sciences, professor of the Mechanization and technologies of producing and processing agricultural products department, Azov-Black Sea Engineering Institute - branch of FSBEI HE «Don State Agrarian University» in Zernograd (Rostov region, Russia). Pho^: 8-928-137-98-08. E-mail: krasnov1310@rambler.ru.
Kopi^ Ruslan Valerievich - engineer, senior laboratory assistant of the Mechanization and technologies of producing and processing agricultural products department, Azov-Black Sea Engineering Institute - branch of FSBEI HE «Don State Agrarian University» in Zernograd (Rostov region, Russia). Pho^: 8-906-428-29-22. E-mail: kopitsa_ruslan@mail.ru.
