Совершенствование технологии восстановления ротационных вакуумных насосов пластинчатого типа

Продукция животноводства является основой жизни человека. Уровень прогресса в развитии молочного скотоводства позволяет процесс доения частично или полностью механизировать. На современных животноводческих комплексах, в крупных фермерских хозяйствах для производства молока применяются доильные установки различных модификаций. Совершенствованию их уделяется особое внимание в силу того, что доильные устройства оказывают непосредственное воздействие на организм животных. Даже незначительное нарушение режима работы доильной установки или аппарата приводит к снижению продуктивности коров, является причиной заболевания их маститами, вызывает снижение качества молока /2,4,29/.

Причиной неудовлетворительной работы доильных установок, как правило, является нарушение вакуумного режима /78/.

Устройствами, которые создают разрежение в магистрали доильных установок, являются вакуумные насосы. В современных доильных установках применяются различные типы насосов, но ни один из них не обеспечивает нормального режима работы в течение всего срока эксплуатации.

Широкое применение в молочном животноводстве в настоящее время нашли ротационные вакуумные насосы пластинчатого типа. Их отличает простота конструкции, равномерность в работе, доступность технического обслуживания и небольшая стоимость по сравнению с другими насосами. Вместе с тем, эти насосы имеют недостаточно высокую подачу, величина которой постепенно снижается в процессе эксплуатации. Рядом исследователей делались попытки увеличения производительности и срока службы ротационных пластинчатых вакуумных насосов за счет увеличения размеров ротора и частоты его вращения, изменения числа лопаток и их материала и других. Должного результата получено не было. Форсирование частоты вращения ротора вызывало усиление износа деталей и более резкое снижение подачи, применение повышенного числа пластин не вызывало повышения производительности.

Опыт применения нескольких последовательно соединенных насосов показывает, что в результате этого вакуум поддерживается на должном уровне, но суммарная производительность насосов при этом значительно снижена.

В настоящее время предлагаются ротационные вакуумные насосы с улучшенной конструкцией /79/, но все они находятся в стадии разработки и предполагают улучшение внешних характеристик за счет увеличения подачи насосов. Разработок, направленных на продление срока службы насоса с сохранением его выходных параметров практически не ведется.

В то же время в хозяйствах находится в эксплуатации огромное количество ротационных вакуумных насосов, требующих восстановления. Существующие способы ремонта предполагают ремонт их в специализированных ремонтных предприятиях и не позволяют полностью восстанавливать номинальную подачу насосов. Поэтому возникла необходимость в дальнейших исследованиях причин снижения подачи такого насоса и разработки технологии восстановления, обеспечивающей увеличение срока службы его.

Объектом исследований являлся процесс износов основных деталей ротационного вакуумного насоса пластинчатого типа и влияние их на выходные параметры насоса, а также способы его восстановления.

В процессе проведенных исследований получены следующие результаты, характеризующие новизну работы:

— установлены закономерности изменения действительной объемной подачи от износа деталей насоса;

— получены зависимости для определения межремонтного срока и остаточного ресурса работы по степени износа насоса;

— даны расчетные зависимости для определения минимального натяга при установке свертной втулки в предлагаемом методе восстановления корпуса насоса;

— оптимизированы износные характеристики насоса и разработана усовершенствованная технология ремонта.

В работе обоснован новый метод ремонта ротационных вакуумных насосов пластинчатого типа, обеспечивающий восстановление объемной подачи его локальной проточкой корпуса, а при предельных износах постановкой свертной втулки.

Проведены теоретические и экспериментальные исследования процесса работы насоса по мере его износа, характеристик износов деталей, изменения выходных параметров серийных насосов и насосов, восстановленных методом локальной проточки. Анализ полученных результатов дал возможность обосновать оптимальные параметры процесса восстановления вакуумных насосов и разработать общую схему ремонта ротационных вакуумных насосов пластинчатого типа в пределах срока их эксплуатации до списания.

По результатам выполненного исследования на защиту выносятся:

— усовершенствованная технология ремонта пластинчатого ротационного вакуумного насоса путем локальной проточки корпуса в месте его наибольшего сближения с ротором;

— математические модели изменения подачи насоса в зависимости от степени износа основных деталей, межремонтного срока службы и остаточного ресурса работы- 9 характеристики износов деталей насоса в серийном варианте исполнения и после ремонта методом локальной проточки корпуса, а также периодичность их ремонтарезультаты оценки экономической эффективности предлагаемой технологии ремонта исследуемых насосов доильных установок.

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА, ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ.

1.1. Обзор конструкций вакуумных насосов доильных установок и разработка их классификационной схемы.

В молочном скотоводстве применяются разнообразные схемы и конструкции устройств для получения вакуума. Известны вакуумные устройства с объемным и динамическим характером воздействия на откачиваемый газ. Вакуумные насосы и устройства динамического типа отличаются довольно низким кпд, равным 10.25%, т.к. являются устройствами вторичного привода /79,43/. В связи с тем, что для обеспечения их работы требуются мощные компрессорные установки, со значительными затратами средств, вакуумные насосы динамического типа не получили широкого применения. Принцип работы объемных вакуумных насосов основан на перемещении газов путем периодического изменения объема рабочей камеры.

Объемные вакуумные насосы по принципу работы подразделяются на поршневые и ротационные. По типу рабочего органа поршневые вакуумные насосы можно разделить на дисковые, плунжерные и мембранные. Насосы поршневого типа применялись в нашей стране до середины 50-х годов. Они отличались громоздкостью конструкции, большой металлоемкостью, а, следовательно, и большой массой, что требовало при монтаже создания мощных фундаментов. Сложная конструкция и наличие быстроизнашивающихся кривошипно-шатунного и воздухораспределительного механизмов требовали при эксплуатации тщательного ухода, обильной смазки и больших затрат на ремонт. Кроме того, неуравновешенность движущихся масс насоса приводит к быстрому износу деталей и большому шуму при его работе. К недостаткам следует отнести и неравномерную откачку воздуха, что вызывает необходимость применения дополнительных устройств для выравнивания давления.

Указанные недостатки вакуумных насосов поршневого типа привели к необходимости поиска наиболее эффективных средств разрежения воздуха.

Исключение составляют малопроизводительные насосы поршневого типа зарубежных фирм «Манус» (Англия), «М1е1к» (Германия) и «Христенсен» (Дания), выпускаемые для применения в индивидуальных доильных аппаратах небольших фермерских хозяйств.

В основу новых конструкций вакуумных насосов была положена схема насоса ротационного типа. По создаваемой разреженности вакуумные насосы можно подразделить на насосы низкого, среднего и высокого вакуума. Именно ротационные вакуумные насосы низкого давления и средней производительности получили наиболее широкое распространение во всех странах мира.

В зависимости от назначения насосы могут быть «сухие» (отсасывать газ) и «мокрые» (отсасывать газ в смеси с жидкостью).

По конструктивным признакам ротационные вакуумные насосы условно разделяются на пластинчатые, с катящимся поршнем, водо-кольцевые и шланговые.

Вакуумные насосы с катящимся поршнем применяются в установках для машинного доения. Конструктивно насосы этого типа подразделяют на пластинчато-статорные и золотниковые. К достоинствам пластинчато-статорных насосов можно отнести небольшое количество зазоров, через которые воздух проникает в вакуумную систему.

В золотниковых насосах ротор не касается стенок корпуса, а заключен в обойму, обхватывающую эксцентрик и представляющую собой сплошной цилиндр.

Недостатком насосов этого типа является сложность конструкции, изготовление составных частей требует большой точности. Движущиеся возвратно-поступательные части сильно изнашиваются в процессе работы и поэтому требуют обильной смазки. Производятся насосы данного типа в основном иностранными фирмами «Манус» (Англия), «Ф.Ф.Вакуум-Энгал» (Германия), «Шимодзу» (Япония) и др. В нашей стране они широкого распространения не получили.

Водокольцевые вакуумные насосы применяются в основном на крупных молочных фермах /105/. Отличаются они значительной объемной производительностью, простотой устройства и надежностью в работе. Они не имеют всасывающего и выпускного клапанов, в них нет распределительного механизма, нет металлических трущихся поверхностей, и не требуется смазки во время работы. Однако достаточная надежность в работе проявляется только при определенных условиях эксплуатации. В частности они требуют дополнительных устройств (насосов) для подачи рабочей жидкости, могут работать только при положительной температуре окружающего воздуха. Недостатком водокольце-вых насосов является низкий кпд (0,48.0,52) из-за значительных гидравлических потерь в жидкостном кольце (75.80%), неустойчивый режим работы и высокие эксплуатационные затраты на единицу удельной производительности. Кроме того, они имеют высокий расход мощности при вакууме до 450 мм.рт.ст. /56/.

В некоторых хозяйствах нашей страны находят применение двух-роторные вакуумные насосы (РУТС). Они имеют два вращающихся поршня (ротора) с двумя или тремя уплотняющими лопастями, переносящими воздух от всасывающего к нагнетательному окну между двумя соседними цилиндрами. Разновидностью двухроторных вакуумных насосов являются также винтовые насосы. Существенным недостатком насосов этого типа является то, что они не могут работать эффективно при высоких давлениях из-за больших внутренних перетечек воздуха. Наибольшая скорость откачки возможна при давлении порядка сотых долей миллиметра ртутного столба. Эти насосы энергоемки, т.к. на рабочие органы постоянно действует полный перепад давления нагнетания, их отличает небольшой адиабатический кпд и большой шум высокой частоты, который вызывается перерывами в процессе всасывания и нагнетания воздуха.

В медицине и химической промышленности нашли применение шланговые вакуумные насосы. Они состоят из корпуса, внутри которого как провод намотан шланг, сжимаемый эксцентрично установленным ротором. При вращении ротора происходит выдавливание воздуха из шланга, что создает разрежение в одном из патрубков насоса. Недостатком этих насосов является быстрый износ шлангов и недостаточная производительность. В настоящее время ведутся работы по усовершенствованию конструкции насосов этого типа с целью использования их в сельскохозяйственном производстве/41/.

Проведенные исследования и литературные источники свидетельствуют /74,79,93,58,56/, что из всех типов ротационных вакуумных насосов, предназначенных для доильных установок лучшие показатели (табл. 1.1) имеют ротационные вакуумные насосы пластинчатого типа с эксцентричным расположением ротора.

Это объясняется достаточно высокой производительностью, простотой конструкции, низкой стоимостью насоса, независимостью от природно-климатических условий. Действие насосов этого типа основано на изменении объема отсекаемого пластинами воздуха при вращении ротора, располагаемого эксцентрично в корпусе насоса. Пластины могут иметь радиальное или тангенциальное расположение. При помощи вакуумных насосов пластинчатого типа можно получить высокий вакуум.

Таблица 1.1.

Показатели работы вакуумных насосов.

Показатели Пластинчатые Поршневые Водокольцевые С катящимся рором Двухроторные Струйные.

РВН 40/350 УВУ-60.

Удельная металлоемкость, кг/м3/ч 1,45 0,86 22,8 1,6 1,24 0,63 0,03*.

Коэффициент полезного действия 0,80,9 0,80,9 0,95−0,97 0,480,52 0,5 0,7 од-0,2.

Удельная мощ- <5 ность, кВт-ч/м 0,07 0,067 0,94 1,66 0,21 0,82 0,167.

Удельная производительность, м3/кВт-ч 14,3 15,0 4,16 0,60 4,67 1,2 5,9 — без веса компрессора.

Механический кпд их равен 0,8.0,9. Он характеризует отношение индикаторной мощности к мощности на валу насоса. Вакуумные насосы этого типа хорошо уравновешены, при достаточно больших оборотах создают меньшую пульсацию вакуума и имеют небольшие габаритные размеры и массу. Они содержат меньшее количество деталей, в них нет всасывающих и нагнетательных клапанов, а также кривошипно-шатунного механизма. Кроме этого их отличает упрощенная система воздухораспределения. Для ротационных вакуумных насосов не требуются массивные фундаменты, т.к. они имеют плавный, с минимальной вибрацией, характер работы. Эти насосы более равномерно откачивают воздух и более быстроходны.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И ПРЕДЛОЖЕНИЯ.

1. Основными причинами отказов пластинчатых ротационных вакуумных насосов доильных установок являются снижение их подачи из-за износа корпуса, ротора и крышек в местах их контакта и увеличения здесь технологических зазоров, износ и разрушение лопаток и, реже, механические поломки узлов крепления и привода.

2. Существующие методы ремонта насосов и восстановления их подачи подразделяются, в основном, по способу ремонта корпусных его деталей и сводятся к проточке внутренней поверхности корпуса, гиль-зовке его и последующих операций хонингования и осадки ротора для регулировки зазора вместе его наибольшего сближения с корпусом. Эти методы весьма трудоемки, требуют наличия специализированного оборудования и приспособлений и существенно не влияют на межремонтный срок эксплуатации насосов.

3. Уточнены закономерности процесса снижения подачи пластинчатого ротационного насоса с увеличением зазоров между ротором и корпусом в месте их сближения и между ротором и боковыми крышками. По мере наработки насоса степень снижения его подачи нелинейно увеличивается и достигает величин, когда запаса подачи насоса недостаточно для обеспечения работы доильной установки.

4. Получены аналитические зависимости для определения ресурса работы вакуумного насоса до его ремонта в функции его подачи с учетом допустимых внутренних перетечек.

5. Усовершенствована технология ремонта ротационного пластинчатого вакуумного насоса и восстановления его подачи методом локальной проточки корпуса в зоне его наибольшего сближения с ротором с созданием в месте их контакта сферической площадки, радиальный угол которой не превышает ближайших к ней кромок выхлопного и всасывающего окон.

При больших радиальных углах возможного контакта ротора с корпусом целесообразна осесимметричная расточка корпуса с постановкой свертной втулки для восстановления номинального внутреннего размера корпуса.

6. Подача серийных пластинчатых ротационных вакуумных насосов по мере наработки уже через 1000 часов уменьшается на 20.25%, а через 2000 часов почти в 2 раза. Износ их сопровождается увеличением технологических зазоров ротор-корпус и ротор-крышка насоса, причем доля внутренних перетечек воздуха через первый зазор в 9 раз выше, чем через второй.

В этих насосах в наибольшей мере изнашивается корпус в месте наибольшего сближения с ротором, необходимость ремонта его возникает через 1000. 1200 часов работы.

7. Ремонт корпуса насоса методом его локальной проточки устраняет вредное пространство, присущее серийным пластинчатым ротационным насосам, для чего начало дуги проточки надо совмещать с нижним краем выхлопного окна. Износ корпуса насоса после локальной проточки снижается в 2.2,5 раза в сравнении с корпусами, восстановленными существующими методами.

8. Характер и степень износа пластин, боковых крышек и ротора насоса по мере наработки его на отказ позволяет рекомендовать восстановление или замену в те же сроки, что и ремонт корпуса. Целесообразна периодичность ремонта восстановленных методом локальной проточки насосов в 2000 часов, а постановкой ремонтной или свертной втулок через 1200 часов.

9. Предлагаемая технология ремонта вакуумных насосов доильных установок по сложности восстановительных работ проще существую.

134 щих методов на ремонтных предприятиях и вполне реализуема в условиях хозяйств на оборудовании ремонтных мастерских. Она обеспечивает снижение затрат труда на 28%, энергозатрат на 30%, а производственно-эксплуатационных затрат на 34%. Экономия средств на ремонт одного насоса составляет 34 рубля 42 копейки. Учитывая потребные объемы ремонта насосов в регионах страны, годовой экономический эффект от внедрения разработок только в Ростовской области может составить 300 тыс. рублей.