CC BY
26
УДК 656.1.065.7 DOI:10.30977/BUL.2219-5548.2018.80.0.24
СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ШЛАНГОВЫХ МОЕЧНЫХ МАШИН
Хилько И.И., Белорусский государственный аграрный технический университет, Гарост М.М., Белорусский национальный технический университет,
Разаренов Л.В., ХНАДУ
Аннотация. Дана оценка энергоэффективности современных высоконапорных шланговых моечных машин. Предложены технические решения по рабочему органу и сменным адаптерам, повышающим технический уровень и расширяющим технологические возможности машин. Благодаря использованию принципа «вращающихся» струй и явления гидравлической кавитации, предложена новая конструкция брандспойта с набором адаптеров, которые расширяют технологические возможности шланговых моечных машин.
Ключевые слова: моечная машина, адаптер, насадка, колебания.
Введение
Мойка является важным технологическим процессом в системе технической эксплуатации машин и оборудования, оказывающим большое влияние на качество, культуру и безопасность их использования, обслуживания и ремонта. Как ни один другой технологический процесс, она является наиболее распространенной и с очень обширной сферой применения. Однако до сих пор она остается далеко не совершенной и требующей на свою реализацию больших расходов воды, энергии, труда, в том числе и на очистку сточных вод.
Анализ публикаций
В Республике Беларусь до недавнего времени ОАО «Оршаагропроммаш» и РУП «Волковысский завод литейного оборудования» выпускали машины моечные ОМ-5361 и ММ-140, ММ-2П, ММ-6П соответственно. Сейчас их производство, не выдержав конкурентную борьбу, свернуто, а стратегически важный сегмент рынка моечного оборудования отдан иностранным производителям [1]. Более успешной стала фирма (г. Минск), наладившая производство моечного оборудования на базе комплектующих ведущих фирм, представив на рынке достаточно широкий спектр моечных машин. В таких условиях важно оценить технический уровень закупаемого оборудования и наметить пути повышения конкурентоспособности отечественного.
Цель и постановка задачи
КПД моечной установки может быть представлен в виде соотношения полезной и затраченной мощности
Цм
Nп
Nп
(1)
где - полезная мощность, которая
определяется как произведение силы струи на ее скорость, т.е. факторы эффективности струи
= 10-3 -v , кВт,
(2)
где F - сила струи, Н; v - скорость струи, м/с; N - потребляемая мощность насоса,
которая определяется произведением крутящего момента на частоту вращения электродвигателя [1], приводящего насос во вращение
Nэ М - п N = — =-, кВт,
потр ц 9550 ' '
(3)
где ц - КПД насоса (общий или полный), а значения крутящего момента М [Н.м] и частоты вращения электродвигателя п [мин1] определяют экспериментально при установке электродвигателя на стенде в балансирном исполнении.
Таким образом, КПД моечной установки может быть представлен в окончательном виде
N 10 - 9550F -V F -v
ц = =™—= 9,55^_^ . (4)
Nпотр М - п М - п
В связи с отсутствием в каталогах производителей моечных машин данных по силе и скорости струи (1;2) и крутящему моменту и
частоте вращения приводящего электродвигателя (3;4), делаем следующие допущения: - вместо полезной мощности NпOл (2) принимаем эффективную мощность насоса
^эф.н =
Рн • ^ 60
кВт,
(5)
где рн - давление, развиваемое насосом, которое снижается в сопловом аппарате из-за гидравлических потерь, МПа; Qн - подача насоса, которая полностью сохраняется постоянной на выходе соплового аппарата, исходя из уравнения неразрывности жидкости, л/мин; а вместо потребляемой мощности N (3) принимаем установочную мощность насосной установки, т.е. паспортную мощность электродвигателя
Nп
N
уст.эдв '
(6)
В результате принятых допущений вычисляем приближенное значение КПД моечной установки
N.
эф.н
N..
(7)
т.е. по данным каталогов производителей моечных установок.
Отметим важность оптимального выбора установочной мощности электродвигателя, так как при выборе электродвигателя с заниженной установочной мощностью имеется риск его «опрокидывания» и последующего выхода из строя; при повышенной установочной мощности возрастают капитальные затраты на его приобретение и потери в сети.
Результаты расчетов приведены в табл. 1, которые показывают, что полный КПД моечных установок колеблется в широких преде-
лах:
м.уст
= 0,53-0,83 %.
По нашему мнению, столь низкий КПД можно объяснить высокой форсированно-стью гидравлических установок по давлению и частоте вращения (1400-2800 мин-1), а также несовершенством конструкций используемых рабочих органов (насадков).
Для расчета оптимальных параметров насадков воспользуемся формулой расхода воды через дроссель при турбулентном режиме течения
Qдр = 60Ц • Яд
где Яд
Эр=60 * яд
2Лр
л/мин, (8)
площадь дросселя,
мм ;
Лр = Р1 - Р2 - перепад давлений на дросселе между входом и выходом, МПа; р - плотность жидкости, кг/м3; ц - коэффициент расхода, который связан с коэффициентом местного сопротивления соотношением
Ц =
1
А
(9)
Значения для различных сопротивлений типа внезапное расширение-сужение потока, конический переходник и поворот потока определяются экспериментальным путем и приведены в соответствующих справочниках по гидравлическим сопротивлениям.
Перепад давлений на сопротивлении и скорость струи
лр =
р • Qд2
2 • (60 • ц • Ядр)
, МПа,
V = 21,2Ят, м/с, ^2
(10)
где Q - расход, л/мин; d - диаметр трубопровода, мм.
Таблица 1 - Техническая характеристика импортных моечных машин
Р
Р
м. уст
2
Технические параметры Марки моечных машин
ГО715 HD1000SL ГО1040В ГО9/204М ГО1050В
Подача воды, л/ч 240-700 150-840 200-850 460-900 400-930
Давление, бар 10-160 10-130 10-210 40-200 40-230
N кВт уст.эдв 4 5,6 8,0 7,0 9,75
Nэ^, кВт 3,04 2,99 4,95 5,0 5,29
КПДЦ^м.уст , % 76 53,3 61 71,4 54,2
Окончание табл. 1
Технические параметры Марки моечных машин
HDS551Ew HDS698CEw НЭС798С HDS801E HDS1000DE
Подача воды, л/ч 550 300-650 350-750 300-700 450-900
Давление, бар 140 30-160 30-180 30-150 40-200
N кВт уст.эдв 3,2 4,5 5,6 5,6 7,4
^ кВт 2,12 2,88 3,6 3,0 5,0
КПД ц_уСТ, % 66,2 64,0 64,2 53,5 67,5
Технические параметры Марки моечных машин
HDS1195SEw HDS2000S DS2640T4 DS3180 DSPL2880T
Подача воды, л/ч 600-1200 800-1850 390-780 630-1300 650-1300
Давление, бар 30-180 30-180 30-180 40-220 30-170
N кВт уст.эдв 8,2 13,4 5,3 9,5 8
кВт 5,94 9,18 3,88 7,92 5,78
КПД Ц^м.уст , % 72,4 68,5 73,2 83,3 72,2
Технические параметры Марки моечных машин
G150OT ЕШ:е1910М ЕШе2840Т DPL3060T X5DS3670T
Подача воды, л/ч 500 300-600 390-780 475-960 890-1000
Давление, бар 150 30-130 30-190 30-215 30-250
N кВт уст.эдв 2,7 3,0 5,3 7,0 9,5
кВт 2,07 2,08 4,1 5,7 6,92
КПД Ц^м.уст , % 76,6 69,3 77,3 81,4 72,0
По данным источников [2, 3] насадок представляет собой устройство, преобразующее потенциальную энергию давления жидкости в кинетическую энергию струи. Чем выше КПД такого процесса, тем больше кинетическая энергия струи, которая расходуется на выполнение работы по отделению и удалению загрязнений с поверхностей машин.
Из имеющихся данных [3] следует, что для конически сходящихся насадков ц может изменяться в пределах 0,82-0,946, а для коноидальных - от 0,96-0,98. В то же время в расчетах для маловязких жидкостей, как вода и др., принимается усредненное значение ц = 0,62. Тем самым признается возможность необоснованно высоких потерь энергии при преобразовании энергии давления жидкости в кинетическую энергию струи.
Нами был изготовлен брандспойт, оснащенный конически сходящимся насадком, формирующим компактную с большой дальностью выброса струю. Такие параметры струи подтвердили возможность повышения энергонасыщенности струи, но, в то же время, стало ясно, что такая струя как инструмент очистки поверхностей машины не всегда пригодна для работы на посту мойки.
В связи с этим была поставлена задача сохранить высоким запас кинетической энергии в струе и придать ей легко трансформируемую форму, пригодную для мойки поверхностей с различной степенью загрязненности. Основная идея сохранения кинетической энергии струи поясняется следующим математическим выражением [4]:
^ mV2
Ек =-+1—,
к 2 2 '
(11)
где т — масса движущегося потока жидкости в струе, кг; V — скорость движения частиц воды вдоль оси струи, м/с; I — момент инерции вращающегося потока жидкости в струе, кг-м2; м — угловая скорость вращения струи, рад/с.
Из данного математического выражения следует, что сохранение запаса кинетической энергии в струе возможно при наложении вращательного движения, что, в свою очередь, позволяет регулировать угол ее распыления.
Данная идея была материализована в конструкции брандспойта, на которую получен патент [5]. Опытный образец такого бранд-
спойта с конически сходящимся насадком диаметром менее 1,8 мм позволил получать струю с диапазоном угла распыления от минимального (рис. 1) до максимального, представленного на рис. 2. Регулирование угла распыления плавное и обеспечивается рукояткой управления с малым углом поворота. Такая технологическая возможность брандспойта позволяет эффективно проводить мойку крупногабаритной сельскохозяйственной, строительной и военной техники с высокой степенью загрязненности поверхностей.
Рис. 1. Форма струи с минимальным углом распыления (^ = 1,8 мм, р > 12 МПа)
Рис. 2. Форма струи с максимальным углом распыления (^ =1,8 мм, р > 12 МПа)
Общий вид опытного образца брандспойта и адаптеров к нему представлен на рис. 3.
На втором этапе исследований была выдвинута идея создания адаптера - турбофре-зы с регулируемой частотой вращения насадки - волчка. Являясь весьма эффективным инструментом для удаления прочносвя-занных загрязнений компактной струей высокого давления, она имела серьезный недостаток, который заключался, по нашему мнению, в отсутствии возможности регулирования частоты вращения насадки - волчка при постоянно высоком давлении. В известных устройствах это можно было делать только
регулированием давления у насадка или расхода воды. Такая система регулирования имеет серьезный недостаток, проявляющийся в резком изменении параметров технологического процесса. Этот недостаток устранен в предложенной новой конструкции тур-бофрезы, где регулирование частоты вращения насадки - волчка происходит при первоначально заданных давлении и расходе воды. Ее конструкция защищена патентом на изобретение [6].
/ 2 3
Рис. 3. Общий вид брандспойта и сменных адаптеров к нему: 1 - рукоятка с запорным клапаном; 2 - ствол; 3 - насадок для формирования вращающейся струи с регулируемым углом распыления (патент (ВУ) №16761 «Брандспойт» УО «БГА-ТУ» 2010.08.05); 4 - турбофреза с регулируемой частотой вращения волчка -насадки (патент (ВУ) №17517 «Гидрофреза» УО «БГАТУ» 2011.04.14); 5 - многоструйная насадка с истечением жидкости в режиме гидродинамической кавитации
Указанный адаптер рекомендуется использовать для удаления прочносвязанных загрязнений с полов, стен, крыши и других поверхностей производственных объектов.
В качестве еще одного адаптера предложена конструкция многоструйной насадки, обеспечивающей режим гидродинамической кавитации в потоке выбрасываемой соплами воды. Область применения такой насадки -это мойка и дезинфекция машин и оборудования в животноводстве и птицеводстве, а также молочного и другого оборудования в переработке. Есть основания полагать об эффективности его применения при подготовке поверхностей машин и окраске, а также дегазации и дезактивации специальной техники.
Проведенные производственные испытания брандспойта с конически сходящимся соплом подтвердили в целом правильность принятых технических решений. Отмечено заметное снижение концентрации мелкодисперсной водяной пыли в зоне работы мойщика. Известно [7], что высокая концентра-
ция водяной пыли является крайне вредным производственным фактором. Было внесено предложение по уменьшению массы инструмента. Конструкция брандспойта доработана, а его масса снижена до 2,4 кг.
Выводы
Современные высоконапорные шланговые моечные установки характеризуются низким уровнем энергоэффективности, и их КПД колеблется в пределах от 53,3 до 83,3 %. Предложена качественно новая конструкция рабочего органа (брандспойта) с набором адаптеров, не только повышающих энергоэффективность, но и расширяющих технологические возможности шланговых моечных машин. Это стало возможным благодаря использованию принципа «вращающихся» струй и явления гидродинамической кавитации.
УО «БГАТУ» может передать свои разработки заинтересованным организациям на условиях лицензионного договора.
Литература
1. Лепешкин А.В. Гидравлика и гидропневмопривод: учеб. по специальности «Автомобиле- и тракторостроение». Ч. 2 : Гидравлические машины и гидропневмопривод / А.В. Лепешкин, А.А. Михайлин, А.А. Шейпак. - 3-е изд., стер. - М., 2005.
- 352 с.
2. Медведев В.Ф. Гидравлика и гидравлические машины: учебное пособие / В.Ф. Медведев. - Минск: Вышэйшая школа, 1998. -310 с.
3. Башта Т.М. Гидравлика, гидравлические машины и гидравлические приводы: учебник для машиностроит. специальностей вузов / Т.М. Башта, С.С. Руднев, Б.Б. Некрасов и др.; под ред. Т. М. Башты.
- М.: Машиностроение, 1970. - 504 с.
4. Костко О.К. Универсальный справочник по физике: учебное пособие / О.К. Костко.
- М.: Лист. 2003. - 480 с.
5. Патент на изобретение №16761 «Брандспойт» УО «БГАТУ» 2010.08.05. Хилько И.И. и др. // Афщыйны бюл. / Национальный центр интеллектуальной собственности Респ. Буларусь - 2011.08.05.
6. Патент на изобретение №17517 2011.08.05. «Гидрофреза» УО «БГАТУ» Хилько И.И. и др. // Афщыйны бюл. / Национальный центр интеллектуальной собственности Респ. Буларусь
7. Латышенок М.В. Устройство для безопасной очистки техники / М.В. Латышенок, А.В. Шемякин, Е.Ю. Шемякина и др. // Грузовик. - 2010. - №10. - С. 16-17.
Reference
1. Lepeshkin, A.V., Mihajlin, A.A., Shej-pak, A.A. (2005). Gidravlika i gidropnevmo-privod [Hydraulics and hydraulic pneumatic drive]. 3nd. ed. Moscow. Ch. 2 : Gidrav-licheskie mashiny i gidropnevmoprivod [in Russian].
2. Medvedev, V.F. (1998). Gidravlika i gidravlicheskie mashiny [Hydraulics and hydraulic machines]. Minsk: Vyshjejshaja shkola [in Russian].
3. Bashta, T.M., Rudnev, S.S., Nekrasov, B.B. i dr. (1970). Gidravlika, gidravlicheskie mash-iny i gidravlicheskie privody [Hydraulics, hydraulic machines and hydraulic drives]. Moscow: Mashinostroenie [in Russian].
4. Kostko, O.K. (2003). Universal'nyj spra-vochnik po fizike [Universal guide in physics] . Moscow: List [in Russian].
5. Khilko, I. Brandspojt [Hose] 2010.08.05 Patent Belorus no. 16761 [in Belorusian].
6. Khilko, I. Gidrofreza [Hhdrophore]. Patent no. 17517 UO «BGATU» 2011.08.05 [in Belorusian].
7. Latyshenok, M.V, Shemjakin, A.V., Shemjakina, E.Ju., Tarakanova, N.M. (2010). Ustrojstvo dlja bezo-pasnoj ochistki tehniki. [Device for safe cleaning of the equipment]. Gruzovik - Trucks, 10, 16-17 [in Russian].
Хилько Иван Иванович, к.т.н., доцент, кафедра технологии и организации технического сервиса,
т. +375172674464, xii.tots@bsatu.by; Белорусский государственный аграрный технический университет, 220022, Республика Беларусь, г. Минск, просп. Независимости, 99.
Гарост Митрофан Митрофанович, к.т.н., доцент, кафедра строительных и дорожных машин,
т. +375172659756, mmg ftk@bntu.by Белорусский национальный технический университет,
220013, Республика Беларусь, г. Минск, просп. Независимости, 65.
Разаренов Леонид Владимирович, к.т.н., доцент, кафедра строительных и дорожных машин, т. 057 7387797.
Lrazarenof@gmail.com
Харьковский национальный автомобильно-дорожный университет, г. Харьков, ул. Я. Мудрого, 25
IMPROVEMENT OF HOSE WASHING MACHINES
Khilko I., Belarusian State Agrarian Technical University, Garost M., Belarusian National Technical University, Rаzаrenov L., KhNAHU
Abstract. Problem. Application of up-to-date approach to solution of this problem gives a higher efficiency coefficient of the washing machine. The analysis of the market for the manufactured machines, which has been made, proves that the main producers are the companies of Germany and Italy, which have the production facilities on the territory of Belarus. In these conditions evaluation of the engineering level and improvement of the equipment being produced is an important stage. Goal. Estimation of energy efficiency of modern high-pressure hose washing machines which stipulates the most important part of technical process in the system of machine maintenance has been given. Methodology. Estimation of engineering level was made basing on determination of efficiency coefficient of the assembly, in the result the broad limits of the washing machines efficiency coefficient were set up. The reasons for low efficiency coefficient of machines were given as well as the ways to increase it at the expense of rational conversion of potential energy offluid pressure into kinetic energy of a jet. The proposed theoretical calculations have been proved experimentally in the design of the hose, and its originality helped receive a patent. Results. Application of smooth control of the angle of spraying makes washing outsizal equipment with high degree of dirtiness more efficient. Originality value. Creating an adaptor - a turbo cutter with regulated frequency of nozzle rotation without regulation of fluid pressure helps remove tightly bound dirt. Practical. Due to the usage of the principle of «rotating» jets and the phenomenon of hydraulic cavitation a new design of a hose with a set of adapters that broaden the engineering possibilities of hose washing machines of increased efficiency has been suggested.
Key words: washing machine, adapter, nozzle, oscillation.
УДОСКОНАЛЕННЯ ШЛАНГОВИХ МИЙНИХ МАШИН
Хилько I.I., Бшоруський державний аграрний техшчний ушверситет,
Гарост М.М., Бшоруський нацюнальний техшчний ушверситет, Разарьонов Л.В., ХНАДУ
Анотаця Дано оцтку енергоефективностг сучасних високонапгрних шлангових мийних машин eid яко'1 залежить найбшьш важлива скла-дова технiчного процесу в системi технiчноï екс-плуатаци машин. Застосування сучасних пiдходiв до вирiшення щег проблеми дае бшьш високий ККД, мийно! машини. Проведений анализ ринку машин, як випускаються, показуе, що основними виробниками продукци е, фiрми Шмеччини i 1та-лп, яш мають виробничi бази на територИ' рес-публiки Бшорусь. У цих умовах важливим етапом е оцiнка технiчного рiвня i вдосконалення устат-кування, що випускаеться. Оцiнка техтчного рiвня проводилась на основi визначення ККД установки, в результатi були встановленi широт межi ККД мийних машин. Наведено опис низько-го ККД машин i шляхи збшьшення його за рахунок перетворення потенцшно'1 енерги тиску рiдини в юнетичну енергт струменя. Запропоноват тео-ретичт розрахунки як пiдтвердженi технiчним рiшенням i матерiалiзацiею в конструкцИ' брандспойта з вiдповiдним отриманням патенту. Застосування плавного регулювання кута розпилен-ня дае бшьш ефективну мийку великогабаритно'1 техтки з високим ступенем забрудненостi. Створення адаптера - турбофрези з регульова-ною частотою обертання насадки без регулю-вання тиску рiдини, що дозволяе придшяти мщно зв 'язанi забруднення. Завдяки використанню принципу «обертових» струменiв i явищi гiдрав-лiчноï кавiтацiï запропонована нова конструк^я брандспойта з набором адаптерiв, як розширю-ють технологiчнi можливостi шлангових мийних машин з збшьшення 1'х енергоефективностi.
Ключовi слова: мийна машина, адаптер, насадка, коливання.
