Повышение эффективности работы вакуумных насосов пластинчатого типа модернизацией конструкции при ремонте
На правах рукописи
Захарин Антон Викторович
ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ РАБОТЫ
ВАКУУМНЫХ НАСОСОВ ПЛАСТИНЧАТОГО ТИПА
МОДЕРНИЗАЦИЕЙ КОНСТРУКЦИИ
ПРИ РЕМОНТЕ
05.20.03 – Технологии и средства технического обслуживания
в сельском хозяйстве
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Зерноград – 2012
Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Ставропольский государственный аграрный университет»
(ФГБОУ ВПО СтГАУ)
Научный руководитель: кандидат технических наук, доцент Лебедев Анатолий Тимофеевич
Официальные оппоненты: Курочкин Валентин Николаевич, доктор технических наук, старший научный сотрудник (ФГБОУ ВПО АЧГАА, профессор кафедры) Белый Иван Федорович, кандидат технических наук (ФГУ «Северо-Кавказская МИС», зав. отделом)
Ведущая организация: Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение «Кубанский государственный аграрный университет»
(ФГБОУ ВПО КубГАУ, г. Краснодар)
Защита диссертации состоится «» марта 2012 г. в _ часов на заседании диссертационного совета ДМ 220.001.01 при ФГБОУ ВПО «Азово Черноморская государственная агроинженерная академия» по адресу: 347740, Ростовская область, г. Зерноград, ул. Ленина, 21.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Азово Черноморская государственная агроинженерная академия».
Автореферат разослан «» февраля 2012 г.
Ученый секретарь диссертационного совета Н. И. Шабанов
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы. Важным фактором при повышении эффективности работы технологического оборудования в промышленности и сельском хозяйстве является поддержание постоянства вакуумного режима. Наибольшее распространение среди устройств для создания вакуума получили вакуумные насосы пластинчатого типа (РВН). В связи с этим РВН должны иметь высокую надежность и техническую готов ность на протяжении всего периода эксплуатации. Коэффициент готовности должен быть не ниже 0,99, а в часы использования равен единице. Однако насосы РВН имеют ряд недостатков, такие как низкий межремонтный ресурс, 800…900 ч, и снижение про изводительности в результате увеличения длительности непрерывной работы. Даже незначительное нарушение режима работы вакуумных установок приводит к сниже нию качества продукции, повышению расхода электроэнергии и нарушению техно логических процессов. Необходимость поддержания высокой технической готовности вакуумных насосов и установок, непродолжительный период резервного времени для восстановления работоспособности обусловливают повышенные требования к каче ству ремонта вакуумных насосов, а также его специфику.
В связи с этим разработка мероприятий, обеспечивающих повышение эффектив ности РВН за счет модернизации их конструкции при ремонте, представляет практи ческий интерес и является актуальной.
Работа выполнена в соответствии с планом научно-исследовательских работ ФГБОУ ВПО «Ставропольский государственный аграрный университет» 2010–2015 г., № 1.4.32 на выполнение НИР по теме «Повышение долговечности машин и оборудо вания АПК путем их модернизации при ремонте и создания требуемых эксплуатацион ных свойств рабочих поверхностей деталей, контактирующих друг с другом».
Цель исследований – повышение эффективности работы РВН за счет модерниза ции его конструкции при ремонте.
Объект исследования – рабочие поверхности деталей основных пар трения рота ционного пластинчатого вакуумного насоса, определяющие его межремонтный ресурс и эффективность работы.
Предмет исследования – закономерности процесса изнашивания рабочих поверх ностей деталей основных пар трения вакуумных насосов.
Методы исследований предусматривали использование теории вероятности и надежности, математического анализа и системного подхода, обеспечивающих ана литическое описание эффективного использования вакуумных насосов, стандартных методик стендовых и эксплуатационных испытаний на современном оборудовании, а также методов планирования многофакторного эксперимента, математической стати стики для обработки полученных результатов и частные методики исследования рабо тоспособности насоса.
Научная новизна. Разработана теоретическая модель формирования параметриче ского отказа РВН, представленного как сложная система, низшим элементом которой являются рабочие поверхности деталей основных пар трения, оказывающие влияние на надежность обеспечения вакуума при реализации технологических процессов;
обо снован способ повышения ресурса за счет выбора материала и условий контактирова ния рабочих поверхностей деталей насоса и определены аналитические зависимости межремонтных ресурсов серийных и модернизированных насосов;
установлены ана литические зависимости влияния длительности непрерывной работы на межремонт ный ресурс серийных и модернизированных РВН.
Практическая значимость работы. Предложена модернизация конструкции ва куумного насоса пластинчатого типа при его ремонте, обеспечивающая повышение долговечности, стабилизацию вакуума и снижение затрат на привод. Новизна предло женного технического решения подтверждена патентами РФ на изобретение и полез ные модели: № 48062, № 54107, № 2333392. Разработана технологическая документа ция и маршрутно-технологические карты на изготовление оснастки и приспособлений, которая позволяет выполнять все технологические операции по модернизации вакуум ных насосов при их ремонте.
Апробация работы. Основные результаты исследований представлены на: Между народной выставке-конгрессе «Высокие технологии. Инновации. Инвестиции» (Санкт Петербург, 20072008);
Международной научно-практической конференции «Произ водство и ремонт машин» (Ставрополь, 2005);
III Российской научно-практической конференции «Физико-технические проблемы создания новых технологий в агропро мышленном комплексе» (Ставрополь, 2005);
69-й научно-практической конференции «Совершенствование технологий и технических средств в АПК» (Ставрополь, 2005);
международных специализированных агропромышленных выставках «Агроунивер сал» (Ставрополь, 20052011);
Международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы научно-технического прогресса в АПК» (Ставрополь, 2006);
выставке-конкурсе «Инновации года» (Ставрополь, 2009);
Всероссийской научно производственной конференции «Новые направления в решении проблем АПК на основе современных ресурсосберегающих инновационных технологий» (Владикавказ, 2010);
Всероссийском конкурсе «Старт» (Ставрополь, 2010);
VI Российской научно практической конференции «Физико-технические проблемы создания новых техноло гий в АПК» (Ставрополь, 2011). Победитель программы Министерства образования и науки Российской Федерации «Участник молодежного научно-инновационного кон курса» (Ставрополь, 2010).
Реализация результатов исследования. По результатам выполненных исследова ний разработан комплект технологической документации по модернизации РВН, ко торый рекомендован Управлением сельского хозяйства и охраны окружающей среды Шпаковского района к использованию в ремонтно-технических предприятиях района и министерством промышленности, энергетики и транспорта Ставропольского края на промышленных предприятиях;
по разработанной технологии модернизирован вакуум ный насос УВУ60/45Б-0,75, который внедрен в эксплуатацию на молочно-товарную ферму СПКк «Пригородный» Шпаковского района;
модернизированный стенд для испытания и обкатки вакуумных насосов 8719 ВНИИТИМЖ внедрен в учебный процесс ФГБОУ ВПО СтГАУ факультета механизации для проведения лабораторно практических занятий.
Публикации. По результатам исследований было опубликовано 16 работ, в их чис ле 4 – в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, 1 монография, 2 патента на полезную модель и 1 патент на изобретение.
На защиту выносятся следующие положения: теоретическая модель формиро вания параметрического отказа РВН, в иерархической схеме которого выделены рабо чие поверхности его деталей, оказывающие влияние на надежность и эффективность работы насоса;
способ повышения ресурса за счет обоснованного выбора материала и условий контактирования рабочих поверхностей деталей насоса, реализованный при ремонте модернизацией его конструкции;
аналитические зависимости межремонтных ресурсов, учитывающие интенсивность изнашивания основных пар трения и влияние длительности цикла непрерывной работы серийных и модернизированных насосов.
Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов, списка используемой литературы и приложений, изложенных на 137 страни цах машинописного текста, в том числе 60 рисунков и 7 таблиц. Список используемой литературы включает 101 наименование, в том числе 4 – на иностранных языках. Име ются 17 приложений на 48 страницах.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обосновывается актуальность темы, излагаются цель работы, ее крат кая характеристика, новизна и значимость результатов для науки и практики.
В первой главе «Состояние вопроса эффективности применения вакуумных насо сов при реализации технологических процессов» представлена краткая классификация вакуумных насосов, рассмотрены их основные параметры и характеристики, выпол нен анализ существующих схем вакуумных насосов и научных исследований по повы шению эффективности их работы, ставятся цель и задачи исследования.
Большой вклад в развитие теории и практики технического обслуживания и ремонта сельскохозяйственной техники, повышения её надежности, развития способов восстановления деталей и увеличения их долговечности внесли такие ученые, как Н. Ш. Адигамов, Ф. К Бурумкулов, Н. В. Валуев, О. Н. Дидманид зе, И. Г. Голубев, М. Н. Ерохин, В. Н. Кряжков, В. П. Лялякин, В. М. Михлин, Е. А. Пучин, А. Г. Пастухов, В. В. Сафонов, А. Э. Северный, И. А. Спицын, И. Е. Ульман, В. И. Цыпцын, В. И. Черноиванов, М. И. Юдин и другие. Непо средственно вопросам ремонта оборудования животноводческих ферм и комплек сов, их надежности, обоснованию норм расхода запасных частей, в том числе и вакуумной техники, исследования её рабочих процессов, создания методики расчета, оптимизации её конструктивных и технологи ческих параметров посвя щены работы Н. П. Алексенко, Б. И. Вагина, Л. П. Карташова, И. Н. Краснова, Е. С. Фролова, С. К. Захаренко, Н. И. Мжельского, Р. Э. Бинеева, В. М. Хамеева, А. П. Гукова, И. В. Исуповой, И. А. Хозяева и других.
В результате анализа потенциальных возможностей методов и технических средств создания разрежения установлено, что наиболее распространенными и перспективны ми в настоящее время являются ротационные вакуумные насосы пластинчатого типа.
Насосы данного типа отличаются простотой конструкции и технического обслужива ния, быстроходностью, хорошей уравновешенностью и плавностью работы. Между тем, широко известно, что большинство этих машин недостаточно надежны в эксплуа тации и зачастую работают с пониженной производительностью. К недостаткам таких насосов можно отнести сравнительно низкий межремонтный ресурс, снижение произ водительности с увеличением длительности непрерывной работы, несовершенность системы смазки, износ пластин из-за нагрева и трения.
Поэтому для поддержания необходимого вакуумного режима возникла потреб ность в дальнейшем совершенствовании пластинчатых вакуумных насосов и улучше нии показателей их работы.
Рабочая гипотеза – эффективность работы вакуумных насосов пластинчатого типа, определяемая стабильной подачей в течение межремонтного ресурса, предпо лагается повысить за счет выбора материала рабочих поверхностей деталей, контакти рующих друг с другом, и уменьшения скорости их относительного перемещения.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
выявить основные причины снижения объемной подачи и повышения энергозат рат при работе РВН в условиях рядовой эксплуатации для определения целевого на значения основных пар трения насоса, с позиции надежности обеспечения его подачи и разработки математической модели формирования отказа РВН;
теоретически обосновать способ повышения ресурса и условий функционирова ния РВН за счет создания оптимальных свойств рабочих поверхностей деталей насоса, контактирующих друг с другом, и разработать рекомендации по совершенствованию его конструкции на этапе ремонта;
исследовать износостойкость существующих и предлагаемых пар трения, обо сновать выбор материалов для их рабочих поверхностей и установить межремонтный ресурс модернизированного ротационного вакуумного насоса (МРВН) с учетом дли тельности цикла непрерывной работы в лабораторных и производственных условиях;
выполнить технико-экономическую оценку эффективности предложенных реше ний модернизации РВН при их ремонте.
Во второй главе «Теоретические исследования эффективности работы РВН» обо снованы предпосылки, положенные в основу исследований;
изложены основные ре зультаты теоретического исследования влияния параметров и условий работы рабочих поверхностей на надежность обеспечения подачи. РВН, входящий в состав оборудо вания какого-то технологического процесса, можно представить как самостоятельную сложную техническую систему, состоящую из узлов и деталей, которые, в свою оче редь, состоят из рабочих поверхностей, и построить для него иерархическую схему (рис. 1).
Функционально, за счет вращения эксцентрично расположенного ротора между двумя неподвижными боковыми крышками, выдвижными лопатками и цилиндром кор пуса, в вакуумном насосе образуется переменное рабочее пространство, ограниченное рабочими поверхностями этих деталей, которые должны обеспечить максимальную герметизацию контакта, чтобы предотвращать перетекания газа при образовании ва куума. Это и есть целевое назначение рабочих поверхностей деталей насоса.
Снижение подачи насоса является основной причиной для отправки насоса в ре монт. Оно происходит в результате увеличения перетечек газа через радиальный, тор цевой зазор и зазоры между лопатками и пазами ротора в результате износа рабочих поверхностей пар трения насоса.
Доля перетечек газа через зазоры между ло патками и пазами ротора весьма незначительна, поэтому величиной пере течек через зазор между пазами ротора и лопаткой можно пренебречь, тогда действительная часовая подача вакуумного насо са будет равна Vдt = VT – Vщ – Vщ1, (1) где VТ – теоретическая подача насоса, м3/ч;
Vщ – объем перетечек газа через радиальный зазор, м3/ч;
Vщ1 – объем Рисунок 1 – Иерархическая схема РВН перетечек газа через торцевой зазор, м3/ч;
Vщ2 – объем перетечек газа через зазоры между лопатками и пазами ротора, м3/ч.
Лопатки за полный рабочий цикл перемещаются в пазах ротора, а также от носительно корпуса насоса и его боковых крышек (рис. 2).
Линейная скорость лопаток л каждый раз меняет свое направление, при повороте рото ра из вертикального расположения паза при наибольшем удалении от цилиндра и прохож дении точки их наибольшего сближения.
Касательные скорости, перпендикуляр ные к торцевой поверхности лопаток, харак теризуют условия и особенности контакта с поверхностями неподвижных боковых кры 1- корпус насоса, 2 – ротор, 3 – лопатка.
шек насоса. Поэтому в точке А (см. рис. 2) Рисунок 2 – Схема работы РВН имеет место постоянное изменение условий и скорости контакта, что влияет на стабиль ность выполнения целевого назначения рабочих поверхностей насоса РВН.
Абсолютная скорость движения лопатки является векторной суммой линейной и касательной скоростей. Рассчитав реальные значения этих скоростей для насоса РВН (рис. 3 и 4), получим, что касательные скорости точек торцевой поверхности превос ходят линейные скорости в 5…7 раз, а следовательно, они и являются определяющими в интенсивности изнашивания.
14 14, 14,.
14,15 14, 13 13,4 14, 12,97 13,,/ 7 7, 7, 6 6,77 7, 6,28 6, 5, 5 6, 0 45 90 135 180 225 270 315, Рисунок 4 – Зависимость касательной скорости верхней и нижней точек торцевой поверхности Рисунок 3 – Зависимость линейной скорости лопатки от угла поворота ротора лопатки от угла поворота ротора В торцевом сопряжении износ лопаток и неподвижных боковых крышек ничем не компенсируется. Поэтому увеличение торцевого зазора является основным параме тром для отправки вакуумного насоса в ремонт.
Таким образом, износ рабочих поверхностей приводит к снижению подачи насоса, и его можно рассматривать как основную причину отказа данной технической системы при выполнении своего целевого назначения.
Общую схема формирования отказа применительно к рабочим поверхностям де талей и вакуумному насосу в целом, когда протекание различных процессов приводит к изменению во времени торцевого зазора hд, представлена на рисунке 5.
Время наступления отказа вакуумного на соса при заданной вероятности безотказной работы, выраженное через величину кванти ля НК, зависит от скорости изнашивания пар трения, которую можно определить из урав нения в следующем виде:
ср = hmax /Т – HК hд, (2) где hmax – торцевой зазор, м;
Т – наработка на соса, ч;
hд– среднее квадратичное отклонение действительного торцевого зазора.
Преобразование уравнения (2) дает воз можность получить уравнение для определе- Рисунок 5 – Модель параметрического отка ния максимального периода безотказной ра- за вакуумного насоса по величине торцевого боты вакуумного насоса в следующем виде: зазора при рассеивании параметров по нор HK h мальному закону и постоянной скорости изнашивания. (3) hmax Анализируя полученные формулы и модель параметрического отказа (рис. 5), мож но сделать вывод о том, что вероятность безотказной работы тем выше, чем ниже ско рость изнашивания ср.
Решая уравнение (2) относительно серийного насоса со средним межремонтным ре сурсом Т = 850 ч, получим, что скорость изнашивания составит ср = 4,47 ·10-4 мм/ч.
Для разработки способов повышения ресурса РВН рассмотрим жизненный цикл существующих серийных насосов (рис. 6).
Учитывая несовершен ство технологии восстанов ления и прогрессирующие процессы старения материа лов, а также вероятностный характер получения сопря гаемых размеров и их сме щения в сторону верхних границ допуска в мелкосе рийном производстве, по Рисунок 6 – Схема для существующего (периоды t1, t2, t3 ) лагаем, что величина зазора и предлагаемого (период t’1, t’2, t’3 и др.) жизненного цикла при сборке после каждого вакуумного насоса ремонта будет увеличивать ся. Тогда, принимая для данных пар трения скорость изнашивания постоянной и при условии, что h0 h1 h2 h3, каждый последующий межремонтный срок эксплуатации будет меньше предыдущего t1 t2 t3... tк, пока не достигнет конечного периода экс плуатации tк. Этот завершающий период определяет общий срок службы серийного насоса и его жизненный цикл.
Тобщ = t1 + t2 + t3 +... + tk. (4) Отсюда следует, что повышение срока службы насоса возможно за счет увеличения количества циклов ремонтно-восстановительных операций и повышения межремонт ного ресурса Т общ = t 1 + t 2 + t 3 +... + t m, (5) где t 1, t 2, t 3, t m – межремонтные ресурсы модернизируемого насоса.
Такое развитие процесса изменения технического состояния рабочих поверхностей деталей насоса описывается кривой 2 (см. рис. 6). Для этого необходимо обеспечить скорость изнашивания рабочих поверхностей насоса, срм = 1,49 ·10-4 мм/ч, что соот ветственно в 3 раза меньше, чем у серийного.
Основными параметрами, влияющими на скорость изнашивания пар трения, яв ляются: вид и свойства материалов, из которых изготовлены контактирующие детали, и качество обработки рабочих поверхностей деталей насоса (М);
степень изменения нагрузки, скорость и давление в контакте ( и Р);
вид, условия и режимы смазки (КСМ);
концентрация абразива в точках контакта (Са). Следовательно, в общем виде скорость изнашивания рабочих поверхностей можно представить зависимостью (6) f ( M,P,,K,Ca ).
Общая модель повышения ресурса позволяет установить те управляемые параметры, с помощью которых возможно снизить скорость изнашивания и повысить подачу насоса.
Основным ресурсосберегающим подходом при этом является снижение скорости изнашивания рабочих поверхностей, износ которых приводит к увеличению радиаль ных и торцевых зазоров и в конечном итоге к снижению фактической подачи.
Новые технические решения по патенту РФ № 54107 на полезную модель и патенту РФ № 2333392 на изобретение практически исключают торцевой износ в парах трения «торцевая поверхность лопатки боковая крышка» и полностью устраняют скорости относительного перемещения контактирующих поверхностей (рис. 7).
Модернизация РВН позволит стабилизировать величину вакуума на более продол жительное время, снизить затраты энергии на привод и проведение ремонтных работ.
В результате постановки торцевой пластины происходит уменьшение длины торцевой щели на величину kL, определяемую по формуле (7) kL r r D D, где rp – радиус ротора, м;
rв – радиус шейки ротора под подшипник, м;
Dпр – диаметр проточки корпуса, мм;
D – ди аметр цилиндра корпуса насоса, мм.
Теоретическая подача МРВН (V` )T будет определяться по формуле V` 120 mn L 2b 2e D Z, (8) T D – диаметр цилиндра корпуса насоса, D – диа где m – эксцентриситет, м;
b – толщина метр проточки корпуса, h – ширина торцевой пла пр торцевой пластины, м;
n – частота вра- стины, И – износ корпуса и торцевой пластины, щения ротора, с–1;
e – технологический l2 – длина зазора, 1 – корпус, 2 – ротор, 3 – боко зазор, м;
L – длина ротора, мм;
D – диа- вые крышки, 4 – лопатки, 5 – торцевые пластины метр цилиндра, мм;
– толщина пла- Рисунок 7 – Схема модернизированного вакуум стины, мм;
Z – число пластин, шт. ного насоса Приведенные выше расчеты показали, что в МРВН длина торцевой щели сократит ся в 2,22 раза, а соответственно и торцевые перетекания газа.
В третьей главе «Методика экспериментальных исследований» разработана про грамма исследований, даны общая и частная методики исследований, описано обору дование и условия проведения эксперимента.
В соответствии с задачами и для достижения поставленных целей была принята следующая программа исследований: обосновать выбор материалов и определить их коэффициенты трения;
выполнить многофакторный эксперимент по установлению закономерностей и характера износа в парах трения с целью обоснования выбора рационального материала;
определить влияние длительности непрерывной эксплуа тации на подачу МРВН и установить его межремонтный ресурс в лабораторных и про изводственных условиях;
исследовать влияние величины торцевого зазора на подачу, потребляемую мощность и температуру работы МРВН.
Определение коэффициентов трения существующих и перспективных материалов проводилось на машине трения СМЦ-2.
С целью определения скорости изнашивания пар трения в зависимости от ско рости перемещения трущихся поверхностей, давления в зоне контакта P и кон центрации абразива Са в условиях смазки С и без неё Б проведен многофакторный эксперимент.
Для определения скорости изнашивания применялась машина трения МТУ- (рис. 8). Для проведения многофакторного эксперимента были изготовлены образцы «диск» в качестве подлож ки и «пластина» в качестве движущегося элемента по подложке (рис. 9). Метод испытаний основан на взаимном перемещении прижатых друг к другу с заданным усилием испы тываемых образцов в сре де смазочных материалов.
Испытанию подвергались пары трения «чугун – текстолит» (ЧТ), «чу гун – фторопласт» (ЧФ) и Рисунок 8 – Общий вид универсальной машины трения модели «текстолит – фторопласт»
МТУ- (ТФ). Эксперимент прово дили таким образом, что бы во всех сравниваемых вариантах путь трения был одинаков, что обеспе чивалось снятием харак теристики за 1000 циклов.
Для эксперименталь ных исследований в лабо ратории кафедры «Техни ческий сервис, стандар тизация и метрология»
Рисунок 9 – Образцы «диск» и «пластина»
СтГАУ был собран модернизированный стенд для испытания и обкатки вакуумных насосов на базе стенда 8719 ВНИИТИМЖ (рис. 10).
1 – персональный компьютер;
2 – аналогово-цифровой преобразователь;
3 – вентиль бачка для мас ла;
4 – бачок для масла;
5 – приводной асинхронный двигатель;
6 – амперметр;
7 – вольтметр;
8 – муфта;
9 – тензометрическое кольцо;
10 – термопары;
11 – вакуумный насос пластинчатого типа;
12 – глушитель шума выпуска;
13 – датчик расхода воздуха;
14 – впускные вентили;
15 – ма нометр;
16 – датчик давления;
17 – расширительный бачок;
18 – гибкие приводные рукава Рисунок 10 – Лабораторная установка В серийный стенд дополнительно были установлены: тен зодатчик вакуума, тензодатчик усилия, датчик мгновенного расхода воздуха и термопары.
Для проведения стендовых и производственных испыта ний серийный насос был модернизирован (рис.11).
Для контроля производительности МРВН его прогревали в течение 10–15 минут, а затем измерялась подача и глубина вакуума. Измерения повторялись через каждые 50 ч работы вакуумного насоса, до снижения его производительности до минимально допустимого значения.
Контроль подачи МРВН в результате увеличения време ни непрерывной работы регистрировали на лабораторной установке. Для этого подачу и температуру работы вакуум ного насоса измеряли каждые 15 минут на протяжении 5 ч непрерывной работы, после чего он остывал до комнатной температуры, и цикл повторялся заново. Для моделирова ния величины торцевого зазора применялись пластины из Рисунок 11 – Корпус насоса с проточкой алюминиевой фольги толщиной 0,1 мм, которые устанав и ротор с торцевыми ливались между торцевой поверхностью ротора и боковой пластинами крышкой сначала в серийном насосе, а затем в модернизи рованном.
Для проведения производственных испытаний в процессе исследований исполь зовался МРВН вакуумной установки УВУ60/45Б-0,75, установленный в вакуумной системе молочно-товарной фермы. Замеры снижения подачи МРВН производились каждые 200 ч работы, пока подача не достигла минимально допустимого значения. Па раллельно с этим контролировались затраты на эксплуатацию, ремонт и техническое обслуживание.
В четвертой главе «Результаты экспериментальных исследований и их анализ» из ложены результаты проведенных экспериментальных исследований и дан их анализ.
Результаты экспериментальных иссле 0, дований коэффициента трения выбранных 0, пар трения в зависимости от давления в зоне контакта при скорости их относи 0,,f тельного перемещения = 13 м/с пред 0, ставлены на рисунке 12.
0, Для таких пар трения, как ТФ, ЧФ и ФФ (фторопласт – фторопласт), наблю 0, дается снижение коэффициента трения с 0, ростом давления на всем диапазоне на 0, грузок от 10 до 70 Н. Одной из причин, объясняющих это, является то, что с уве 0, личением давления в зоне контакта про исходит упругая деформация образцов из 10 20 30 40 50 60 фторопласта, из-за чего площадь факти РН, Н, ческого контакта в зоне трения увеличи Рисунок 12 – Зависимость коэффициента вается, а удельное давление и коэффици трения в парах трения от нагрузки ент трения снижаются.
После обработки экспериментальных данных многофакторного эксперимента были получены функции отклика параметра оптимизации (скорость изнашивания ), представляющие собой полином первой степени, уравнения регрессии которых в рас кодированном виде имеют вид ЧТС = 0,2074 – 0,0048 + 0,0008Р + 0,0032Са + 0,0002Р + 0,0006Са, (9) ЧФС = 0,0647 – 0,0015 + 0,0006Р + 0,0013Са + 0,0001Р + 0,0003Са, (10) ТФС = 0,0488 – 0,0013 + 0,0005Р + 0,001Са + 0,0001Р + 0,0002Са, (11) ЧТБ = 0,3604 – 0,0163 + 0,0013Р + 0,0051Са + 0,00045Р + 0,001Са, (12) ЧФБ = 0,1309 – 0,0046 + 0,001Р + 0,002Са + 0,0002Р + 0,0005Са, (13) ТФБ = 0,0821 – 0,0028 + 0,0006Р + 0,0016Са + 0,0001Р + 0,0003Са. (14) Концентрация абразива в работающих серийных насосах является относительно постоянной, поэтому при анализе полученных моделей скорости изнашивания пар тре ния концентрация абразива принята Са = 5 %.
Для всех исследуемых пар тре ния по полученным уравнениям по строены графики зависимости ско рости изнашивания от давления Р и скорости относительного переме щения поверхностей (рис. 13, 14).
Из рисунков видно, что для пар тре ния ЧТ, ЧФ и ТФ прослеживается тенденция повышения скорости из нашивания с ростом скорости отно сительного перемещения контакти рующих поверхностей и давле ния Р. Однако следует отметить тот факт, что скорость изнашивания в парах трения с фторопластом значи Скорость относительного перемещения, м/с тельно ниже, чем в паре трения ЧТ Рисунок 13 – Скорость изнашивания пары трения ЧТ в 33,5 раза.
Рисунок 14 – Скорости изнашивания пар трения ЧТ и ЧФ соответственно Относительную износостойкость пар трения представим через показатель i, kij (15) j где kij – показатель относительной износостойкости;
i и j – значения соответствую щих уравнений при фиксированных значениях, Р и Са (Х1, Х2 и Х3), мкм/ч.
Показатели относительной износостойкости k12 и k13 выражают отношение скорости изнашивания пары трения ЧТ (9) соответственно к парам трения ЧФ и ТФ (10) и (11) со смазкой, а показатели k45 и k46 выражают отношение скорости изнашивания пары трения ЧТ (12) соответственно к парам трения ЧФ и ТФ (13) и (14) без смазки (рис. 15).
Износостойкость пары тре ния ЧТ ниже, чем износостой кость пар трения ТФ как со смазкой, так и без неё. Все по лученные зависимости имеют нелинейный характер. Это свя зано с тем, что в парах трения с фторопластом увеличение скорости относительного пере мещения сопрягаемых поверх ностей дает больший прирост скорости изнашивания, чем в паре трения ЧТ.
Таким образом, проведен ные исследования показали, что пары трения ЧФ и ТФ имеют меньшую скорость из Рисунок 15 – Зависимость относительной износостойкости нашивания по сравнению с пар трения ЧФ и ТФ от скорости относительного пере парой трения ЧТ в среднем со мещения и давления Р смазкой в 2,3 и 2,9 раза соот ветственно и без смазки в 2 и 3,1 раза для всех рассматриваемых режимов. Поэтому в качестве материала для рабочей поверхности торцевой пластины предлагается ис пользовать фторопласт-4.
Результаты выполненных исследований позволили установить потери произво дительности в течение одного цикла непрерывной работы МРВН, которые составили 0,20,4 м3/ч, что на 60…75 % меньше, чем в серийном насосе, и выявить закономер ности снижения подачи по мере его наработки (рис.16):
V 0, 004t 42,1, (16) V 0, 005t 41, 6. (17) Обработка данных уравне ний позволила установить зако номерности изменения подачи и получить t = 2222,5 ч, среднее квадратичное отклонение меж ремонтного ресурса = 100,8 ч и коэффициент вариации V = = 4,5 % (рис. 17).
Таким образом, модерниза ция вакуумного насоса пластин чатого типа позволяет снизить Длительность работы модернизированного вакуумного насоса потери производительности в пластинчатого типа, ч течение одного цикла непре Рисунок 16 – Изменение подачи и температуры МРВН рывной работы насоса, что уве в зависимости от длительности личивает межремонтный ресурс ( ) его непрерывной работы в 2,12,8 раза в сравнении с на сосом в серийном варианте ис полнения.
Увеличение торцевого за зора между торцевой пласти ной и боковой крышкой прак тически не оказывает влияния не только на подачу насоса, но также на его температуру и потребляемую им мощность (рис. 18, 19 и 20).
Увеличение торцевого за Длительность работы модернизированного вакуумного насоса пластинчатого типа, ч зора между ротором и торцевой Рисунок 17 – Изменение подачи МРВН пластиной до 0,7 мм вызвало в функции его наработки снижение подачи в модернизи рованном на 25,5 %, а в серийном насосе на 65 %. Это обусловлено тем, что периметр тор, (V) цевой щели, через ко торую возможны пере 3/ – течки газа, у серийного, насоса больше.
– Эксперимен тальные исследова ния серийного на 0 0,2 0,4 0,6 0, соса показали, что с Торцевой зазор, мм увеличением зазора Рисунок 18 – Зависимость объемной подачи происходит повыше от величины торцевого зазора ние температуры, в среднем 1,06 оС на 0,1 мм зазора. Такое ин- тенсивное повышение при длительной, непре, рывной эксплуатации 65 – способствует увеличе- нию тепловых зазоров, что равноценно износу 61 – за период эксплуатации 250…300 ч. Увеличение 0 0,2 0,4 0,6 0, этого зазора в МРВН, приводит к повышению Рисунок 19 – Зависимость температуры насоса от величины температуры на 0,61 оС, торцевого зазора что на 42,5 % ниже.
Мощность, потреб- 2, 2, ляемая модернизиро- 2, ванным насосом, ниже, 2, 2,, чем мощность, потреб- 2, – 2, ляемая серийным на- 2, сосом, в среднем на 2, 2, 45 %. 2, – 2, Предварительные 0 0,2 0,4 0,6 0, результаты эксперимен-, тальных исследований Рисунок 20 – Влияние величины торцевого зазора на мощность показали, что по сни привода насоса жению потребляемой мощности, рабочей температуре и повы- C шению ресурса модер- низированный насос в 3/ 1,52 раза эффективнее, серийного. Результаты произ- водственных испыта- ний (рис. 21) позволили установить закономер- 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200 2400 ность снижения подачи, МРВН в зависимости от наработки: Рисунок 21 – Зависимость подачи серийного и модернизированного насосов от времени эксплуатации VM = – 0,0043t + 44,057. (18) Наработка до достижения минимально допустимой подачи для серийного насоса составила примерно 890 ч, а для МРВН 2550 ч, что выше в 2,87 раза.
На основании теоретических, стендовых и производственных испытаний средний межремонтный ресурс МРВН составил 2500 ч. Поэтому была разработана общая схе ма ремонта МРВН с этой же периодичностью, которая определила перечень и после довательность операций.
Калькуляция всех расходов на эксплуатацию, обслуживание и ремонт МРВН, а так же периодичность ремонтов за время эксплуатации 3290 ч сравнивались с данными за тот же период работы серийного насоса (рис. 22).
Общие затраты на эксплуатацию и ремонт насосов по достижении нара ботки 3290 ч соста вили для МРВН рублей, что на 30 % меньше, чем у серий ного насоса за тот же период.
В пятой главе «Технико-эконо ми ческая оценка резуль татов исследования»
описана методика определения эффек тивности, приведены Рисунок 22 – Затраты на эксплуатацию и ремонт исходные данные и вакуумных насосов результаты расчетов.
За базу для технико экономического сравнения был принят насос, установленный в вакуумной установке УВУ60/45Б-0,75. Расчет проводился по общепринятым методикам экономической эф фективности. Результаты технико-экономических расчетов сравниваемых вариантов показали, что общие затраты на содержание и эксплуатацию вакуумной установки УВУ 60/45Б-0,75 с серийным вакуумным насосом на ферме с поголовьем 120 коров состав ляют 39,186 тыс. руб., а с использованием на той же вакуумной установке модернизи рованного вакуумного насоса пластинчатого типа затраты составят 36,999 тыс. руб., что на 2,186 тыс. руб. меньше, при сроке окупаемости дополнительных капиталовло жений 0,83 года.
ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И ПРЕДЛОЖЕНИЯ 1. Анализ процесса работы с позиции рассмотрения РВН как сложной системы, низшим элементом которой в его иерархической схеме являются рабочие поверхно сти деталей, позволил определить их целевое назначение с точки зрения надежности обеспечения вакуума при реализации технологических процессов. Получена теорети ческая модель формирования параметрического отказа в результате износа рабочих поверхностей деталей, контактирующих друг с другом, и установлена аналитическая зависимость скорости изнашивания основных пар трения РВН.
2. Разработана теоретическая модель повышения ресурса РВН за счет выбора ма териала рабочих поверхностей деталей, контактирующих друг с другом, и уменьшения скорости их относительного перемещения. Модернизация серийного насоса по указан ным направлениям позволила определить аналитическую зависимость межремонтно го ресурса МРВН, величина которого составила 2400…2600 ч. Новизна предложенных технических решений по модернизации насоса подтверждена патентами РФ на изо бретение и полезные модели № 48062, № 54107, № 2333392.
3. Обработка результатов многофакторного эксперимента позволила установить зависимости скорости изнашивания исследуемых пар трения, со смазкой и без неё, от скорости их относительного перемещения, давления и концентрации абразива в зоне контакта. В условиях работы, приближенных к эксплуатационным, наиболее износостойкими оказались пары трения ЧФ и ТФ в сравнении с парой трения ЧТ серийного насоса. Их относительная износостойкость выше в 2,37 и 2,99 раза соот ветственно.
4. Результаты исследований работы МРВН показали, что снижение его подачи при цикле работы длительностью 5 ч составляет 0,20,4 м3/ч, что на 60…75 % меньше, чем в серийном насосе, а его средний межремонтный ресурс составил 2222,5 ч. При этом снижение подачи и повышение температуры работы в серийном насосе происходит соответственно на 40 и 42,5 % интенсивнее, чем в модернизированном. Увеличение температуры с такой интенсивностью равноценно износу за период эксплуатации 250…300 ч.
5. Результатами производственных испытаний подтверждены аналитические зависимости снижения подачи сравниваемых насосов от их наработки в реальных условиях эксплуатации. При этом межремонтная наработка модернизированного на соса составила 2550 ч, что выше в 2,87 раза по сравнению с серийным. По этим дан ным разработана общая схема ремонта МРВН со средней периодичностью ремонтов 2500 ч.
6. Модернизация конструкции исследуемого насоса обеспечивает снижение энер гетических затрат на 4–5% и затрат на ремонт на 30 %, что позволило получить го довую экономию в размере 2186,85 руб/год на одну вакуумную установку при сроке окупаемости дополнительных капитальных вложений 0,83 года.
Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:
1. Статьи в журналах, в том числе рекомендованных ВАК 1. Захарин, А. В. Повышение эффективности работы вакуумного насоса пластин чатого типа [Текст] / А. В. Захарин // Техника в сельском хозяйстве. – 2011. – № 6. – С. 16–18.
2. Захарин, А. В. Длительность непрерывной работы вакуумного насоса пластинча того типа и его производительность [Текст] / А. Т. Лебедев, А. В. Захарин // Тракторы и сельхозмашины. – 2011. – № 10. – С. 36–38.
3. Захарин, А. В. Повышение долговечности вакуумного насоса пластинчатого типа [Текст] / А. Т. Лебедев, А. В. Захарин, А. С. Слюсарев // Механизация и электри фикация сельского хозяйства. – 2007. – № 7. – С. 25–27.
4. Захарин, А. В. Конструктивные методы повышения долговечности пар тре ния ротационных вакуумных насосов пластинчатого типа [Текст] / А. Т. Лебедев, М. А. Красников, А. В. Захарин // Вестник Российского государственного аграрного заочного университета. – 2007. – № 2. – С. 25–26.
2. Статьи в сборниках конференций и семинаров 5. Захарин, А. В. Исследования эксплуатационных параметров вакуумного на соса пластинчатого типа после его модернизации [Текст] / А. В. Захарин // Актуаль ные проблемы научно-технического прогресса в АПК : сборник научных статей VI Международной научно-практической конференции в рамках XIII Международной агропромышленной выставки «Агроуниверсал-2011». – Ставрополь : АГРУС, 2011. – С. 81–84.
6. Захарин, А. В. Эффективность модернизации вакуумного насоса пластинчатого типа при ремонте [Текст] / А. В. Захарин // Физико-технические проблемы создания новых технологий в АПК : сборник материалов VI Российской научно-практической конференции. – Ставрополь, 2011. – С. 41–45.
7. Захарин, А. В. Исследование износостойкости пары трения усовершенствован ной конструкции вакуумного насоса [Текст] / А. Т. Лебедев, А. В. Захарин, А. Н. Ко былко, П. А. Лебедев // Совершенствование технологий и технических средств в АПК :
сборник материалов 69-й научно-практической конференции. – Ставрополь : АГРУС, 2005. – С. 145–149.
8. Захарин, А. В. Исследование площади фактического контакта при работе пары трения «лопатка – корпус» вакуумного насоса [Текст] / А. Т. Лебедев, А. В. Захарин, А. Н. Кобылко, П. А. Лебедев // Физико-технические проблемы создания новых тех нологий в агропромышленном комплексе : сборник научных трудов III Российской научно-практической конференции. Том II. – Ставрополь : АГРУС, 2005. – С. 21–23.
9. Захарин, А. В. К вопросу о снижении мощности, потребляемой вакуумным насосом пластинчатого типа [Текст] / А. Т. Лебедев, А. В. Захарин, И. В. Горячий, А. В. Дульский // Актуальные проблемы научно–технического прогресса в АПК : сбор ник материалов Международной научно-практической конференции. Часть I. – Став рополь : Литера, 2006. – С. 227–229.
10. Захарин, А. В. К вопросу об исследовании площади фактического контакта при работе пары трения «лопатка – корпус» вакуумного насоса [Текст] / А. Т. Лебедев, А. В. Захарин, А. Н. Кобылко, П. А. Лебедев // Совершенствование технологий и тех нических средств в АПК : сборник материалов 69-й научно-практической конферен ции. – Ставрополь : АГРУС, 2005. – С. 150–152.
11. Захарин, А. В. Способы снижения затрат энергии при работе вакуумного насо са пластинчатого типа [Текст] / А. Т. Лебедев, А. В. Захарин, А. Н. Кобылко, П. А. Ле бедев // Совершенствование технологий и технических средств в АПК : сборник материалов 69-й научно-практической конференции. – Ставрополь : АГРУС, 2005. – С. 166–170.
12. Захарин, А. В. Усовершенствование конструкции вакуумного насоса пластин чатого типа [Текст] / А. Т. Лебедев, А. В. Захарин, А. Н. Кобылко // Производство и ремонт машин : сборник материалов Международной научно-технической конферен ции. – Ставрополь : АГРУС, 2005. – С. 63–67.
3. Монографии и учебные пособия 13. Захарин, А. В. Надежность и эффективность вакуумных насосов : монография / А. Т. Лебедев, А. В. Захарин. – Ставрополь : АГРУС, 2011.– 148 с.
4. Патенты на изобретения и полезные модели 14. Пат. 2333392 Российская Федерация, F 04 C 18/344 (2006.01). Ротационный пла стинчатый компрессор [Текст] / Лебедев А. Т., Захарин А. В., Слюсарев А. С. [и др.]. – № 2007108890/06 ;
заявл. 09.03.2007 ;
опубл. 10.09.2008, Бюл. № 25. – 5 с.
15. Пат. 48602 Российская Федерация, F 04 C 18/344. Ротационный пластин чатый компрессор [Текст] / Лебедев А. Т., Красников М. А., Захарин А. В. [и др]. – № 2005113735/22 ;
заявл. 04.05.2005 ;
опубл. 27.10.2005, Бюл. № 30. – 4 с.
16. Пат. 54107 Российская Федерация, F 04 C 18/344 (2006.01). Ротационный пла стинчатый компрессор [Текст] / Лебедев А. Т., Захарин А. В., Лебедев П. А. [и др]. – № 2005122266/22 ;
заявл. 13.07.2005 ;
опубл. 10.06.2006, Бюл. № 16. – 4 с.
Подписано в печать 23.01.2012. Формат 60х84 1/16.
Гарнитура «Таймс». Бумага офсетная. Печать офсетная. Усл. печ. л. 1,0.
Тираж 100. Заказ № 26.
Отпечатано в типографии издательско-полиграфического комплекса СтГАУ «АГРУС», г. Ставрополь, ул. Мира, 302.