CC BY
76
УДК 631.171
СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ РЕМОНТА РОТАЦИОННЫХ ВАКУУМНЫХ НАСОСОВ ПЛАСТИНЧАТОГО ТИПА
© 2016 г. И.Н. Краснов, И.В. Исупова, А.Ю. Краснова
Ротационные вакуумные насосы (РВН) пластинчатого типа нашли широкое применение в машинном доении коров. Их отличают сравнительно высокая подача, простота конструкции, низкая стоимость и работоспособность в условиях ферм любых природно-климатических зон. Однако они являются основной причиной снижения надёжности работы доильных установок из-за интенсивного износа их деталей, вызывающего уменьшение подачи насоса. В результате износа ротора, корпуса и пластин увеличиваются зазоры в парах сопряжения насоса и повышаются перетечки воздуха из зоны нагнетания в зону всасывания его, при этом превалируют перетечки через зазор ротор - корпус и боковые крышки - ротор. В статье предложена модернизация конструкции РВН при его ремонте, обеспечивающая восстановление его подачи и повышение срока службы до следующего ремонта. Для этого производится проточка внутренней цилиндрической поверхности корпуса в месте его наибольшего сближения с ротором на глубину 0,5-1 мм. Радиус проточки должен быть равен радиусу ротора, после чего производится осаждение ротора в эту проточку поворотом его вокруг боковой шпильки, для чего отверстия крепления крышек остальными тремя шпильками предварительно рассверливаются до продолговатой формы. Это обеспечивает «контакт» ротора с зеркалом цилиндра корпуса не по одной линии, как у серийного насоса, а по определённой площадке по длине дуг окружности контакта, что снижает интенсивность износа рабочей поверхности корпуса насоса и увеличивает межремонтный срок. Организация такого ремонта РВН возможна непосредственно на базе распространённого серийного оборудования ремонтных мастерских хозяйств различной категории.
Ключевые слова: ротационный вакуумный насос, ремонт, зазоры, подача, межремонтный срок.
Rotary vacuum pumps (RVP) of a plate-type are widely used in cow's machine milking. They are distinguished by a relatively high flow, simple structure, low cost and operability in farms conditions of any climatic zone. However, they are the main reason for reducing the reliability of milking machines due to heavy the wear of parts, causing a decrease in the pump flow. As a result of wear of the rotor, body and plates there increase the clearances in the pump coupling pairs and rise leakage of air from discharge zone into suction zone while leakage through the rotor - body clearance and side caps - rotor. In the article there is proposed modernization construction of RVP at its repair guaranteeing reparation to its supply and increase of the service life until the next repair. This involves boring the inner cylindrical surface of the housing at the point of closest proximity to the rotor to a depth of 0,5-1 mm. The radius of the groove should be equal to the rotor radius, whereupon there is produced rotor deposition in this groove by its rotation around pin side, for what mounting holes of caps by the other three studs become pre-drilled. This provides a "contact" of the rotor with the housing cylinder mirror not on one line as in the serial pump, but for a certain area along the length of the contact circle arc that reduces the intensity of the working surface wear of the pump housing and increases overhaul period. The organization of such RVP repair is possible directly on the basis of widespread serial equipment of repair shops on farms of different categories.
Keywords: rotary vacuum pump, repair, gaps, flow, overhaul period.
Введение. Для создания вакуума в молочном животноводстве применяются, главным образом, механические насосы.
Анализ предшествующих
исследований насосов свидетельствует [1, 2, 3], что из всех типов вакуумных насосов самое широкое распространение в молочном животноводстве получили ротационные вакуумные насосы пластинчатого типа (РВН) с эксцентричным расположением ротора. Их отличают достаточно высокая
производительность, простота
конструкции, низкая стоимость,
работоспособность при любых природно-климатических условиях.
Действие насосов этого типа основано на изменении объема отсекаемого пластинами воздуха при вращении ротора, который расположен эксцентрично в корпусе насоса. Быстрота действия (подача) отечественных РВН
"3
находится в пределах 0,0003-0,833 м /с. Пластины могут иметь радиальное или тангенциальное расположение.
Механический КПД их равен 0,8...0,9. Он
1(33) 2016
характеризует отношение индикаторной мощности к мощности на валу насоса. Вакуумные насосы этого типа хорошо уравновешены, при достаточно больших оборотах создают незначительную пульсацию вакуума и имеют небольшие габаритные размеры и массу. Они состоят из небольшого количества деталей, в них нет всасывающих и нагнетательных клапанов. Кроме этого, их отличает упрощенная система
воздухораспределения. Для РВН не требуются массивные фундаменты, так как их работа отличается плавностью и минимальной вибрацией. Эти насосы более равномерно откачивают воздух и более быстроходны.
Вместе с тем, насосы РВН являются одной из причин снижения надежности и эффективности работы доильных установок по причине интенсивного износа основных деталей насосов, уменьшающих подачу.
Основной причиной износа отдельных деталей РВН является постепенное поверхностное разрушение материала деталей, сопровождающееся отделением частиц, изменением размеров, геометрической формы и свойств поверхностных слоев материала. В результате износа увеличиваются зазоры в парах сопряжения, приводящие к возрастанию перетечек газа из зоны нагнетания в зону всасывания через радиальные и торцевые щели. Большая часть перетечек происходит через зазоры в сопряжениях: ротор - корпус и ротор -боковые крышки.
В новом насосе торцевые перетекания преобладают над остальными внутренними потерями и доходят до 5060%, но по мере наработки происходит износ радиальных сопряжений и доля перетечек в них возрастает.
Анализ данных предшествующих исследований показал, что зазоры в сопряжениях увеличиваются за счет износа контактирующих поверхностей [4, 5], следовательно, и величины внутренних
потерь вакуума возрастают. Установлено, что увеличение зазора между торцевой поверхностью ротора и крышкой на 1 мм влечет за собой падение
производительности и предельного вакуума соответственно на 38% и 12% [1].
Технологии восстановления деталей РВН различны.
Трещины, пробоины и обломы чугунных деталей РВН заваривают полуавтоматической сваркой с
применением проволоки ПАНЧ-11, а в неответственных местах корпусных деталей заделку трещин проводят эпоксидными составами.
При овальности и конусности рабочей поверхности корпуса более 0,07 мм его растачивают на вертикально-расточном станке до ближайшего ремонтного размера. Расточенную поверхность хонингуют на
хонинговальном станке.
Непараллельность торцевых
поверхностей корпуса и износы боковых крышек устраняют шлифованием на плоскошлифовальном станке до ремонтного размера.
Ремонт типовых поверхностей (посадочные места под подшипники, резьбовые отверстия и др.) производят стандартными технологиями.
Ротор при износе его торцевых поверхностей более чем на 1 мм выбраковывают.
Для проверки прогиба вала ротор устанавливают в центрах гидравлического пресса, и индикатором часового типа определяют его биение. Правят вал при биении более 0,04 мм в гидравлическом прессе с использованием призм.
Изношенные шпоночные пазы заваривают и фрезеруют новые с противоположной стороны.
Торцевые поверхности ротора, изношенные более чем на 0,2 мм, при наличии на них рисок и задиров, восстанавливают шлифованием под один из ремонтных размеров. На каждом торце ротора допускается наличие до четырех
единичных раковин длиной до 4 мм и глубиной до 1 мм. Лопатки чаще всего меняют на новые.
Однако технологии ремонта насоса на базе расточки корпуса под ремонтные размеры весьма дороги, а количество такого рода восстановительных операций для его деталей ограничено из-за уменьшения их размеров. При невозможности устранения дефекта известными технологиями, детали чаще всего заменяются на новые, что экономически не целесообразно.
Анализируя известные методы ремонта основных деталей РВН, необходимо отметить, что они позволяют лишь восстановить работоспособность насоса и продлить срок эксплуатации, но не решают проблемы низкого межремонтного ресурса насоса (800-900 часов) [4, 6, 7] и снижения производительности в результате увеличения тепловых зазоров. Эти методы не устраняют причин износа, а лишь продлевают срок эксплуатации насоса.
В связи с этим разработка мероприятий, обеспечивающих повышение эффективности работы вакуумных насосов пластинчатого типа за счет модернизации их конструкции при ремонте [4, 7], представляет практический интерес и является актуальной. Ряд авторов в своих работах предлагают повысить
производительность насосов за счет изменения конструкции насосов. Однако в них сделан упор, в основном, на повышение производительности насосов за счет увеличения длины ротора и корпуса, частоты вращения ротора и изменения величины эксцентриситета
[1, 7].
Следует заметить, что увеличение таким способом производительности не устраняет причины износа пар трения вакуумного насоса и лишь незначительно продлевает межремонтный срок службы. К тому же повышение длины ротора ведет к увеличению габаритов насоса, а увеличение частоты оборотов - к
возрастанию сил трения пластин о корпус, нагреву насоса и снижению его КПД, а также к еще большему износу деталей.
Для снижения радиального износа И.В. Редин [3] предложил использовать в качестве материала для лопаток РВН пропитанный графит (графиль), который в ходе испытаний показал неплохие результаты. Примечательным в этой работе является то, что для снижения изнашивания РВН было предложено изменение материала пары трения насоса.
А.П. Гуков [8] для снижения торцевого износа боковых крышек, торцевой поверхности ротора и торцевых поверхностей лопаток предложил новую конструкцию вакуумного насоса с совместно вращающимся ротором.
При данной конструкции вакуумного насоса скорость перемещения торцевой поверхности лопатки относительно торцевой поверхности цилиндра равна линейной скорости движения лопатки в пазу ротора насоса и минимальна. Однако данная конструкция имеет ряд недостатков: затруднён вход и выход газа в рабочее пространство насоса через отверстия в боковой крышке, усложняется и конструкция насоса.
В существующей серийной конструкции насоса не представляется возможным установка ротора таким образом, чтобы зазоры между торцами ротора и его крышками обеспечивали минимальные потери, возможность смазки и теплового расширения ротора во время работы.
Незначительное смещение ротора в сторону одной из крышек в процессе работы вызывает повышенный износ одного из торцов ротора. В связи с этим для обеспечения оптимальных размеров зазоров между торцами ротора и крышками А.Т. Лебедевым, А.В. Захариным и др. из Ставропольского ГАУ предложена новая схема насоса (рисунок 1) [5, 9].
В нём за счет установки торцевых пластин исключаются пары трения
боковые поверхности крышек - ротор и боковые поверхности крышек - пластины.
Однако данная конструкция имеет ряд недостатков:
1. Образование дополнительной щели в зоне максимального перепада давлений
(рисунок 2).
2. Повышенный износ кромок пластин в зоне проточки корпуса.
3. Постановка торцевых пластин уменьшает объем ячейки.
Б - диаметр цилиндра корпуса насоса; Бпр - диаметр проточки корпуса; И - ширина торцевой пластины; И - износ корпуса и торцевой пластины; 12 - длина зазора; 1 - корпус; 2 - ротор; 3 - боковые крышки; 4 - лопатки; 5 - торцевые пластины Рисунок 1 - Схема модернизированного вакуумного насоса (Ставропольский ГАУ)
Рисунок 2 - Схема образования дополнительной щели в насосе
В связи с этим методикой предусмотрено изучение износов серийных
насосов, поиск и обоснование усовершенствованных способов их ремонта с целью восстановления подачи.
В результате наших исследований установлено, что наибольшее влияние на снижение подачи насосов оказывает износ внутренней поверхности корпуса.
В корпусе вакуумного насоса в процессе эксплуатации изнашиванию подвергается цилиндрическая поверхность, причем износ в разных точках этой поверхности происходит с различной
Рисунок 3
В точке 3, напротив, сила трения лопатки на корпус достигает максимальной величины, а кавитационные процессы отсутствуют.
В точках 2 и 4 давления в ячейках имеют экстремальные значения, силы трения лопаток о пазы ротора имеют противоположное направление, характер смазки различен.
Нами предложена [10] следующая технология восстановления подачи насоса (по авт. св. № 1134792, SU): проточка торцевых поверхностей боковых крышек и проточка корпуса в месте наибольшего сближения его с ротором на глубину 0,51 мм. Радиус проточки должен быть равен радиусу ротора (рисунок 4), после чего производится осаждение ротора в эту проточку поворотом его вокруг боковой шпильки, для чего отверстия крепления крышек остальными тремя шпильками
интенсивностью. Обусловлено это различием действующих износных факторов: сил трения, условий смазки и кавитационных процессов. Анализ этих факторов позволил определить четыре наиболее характерные точки [1].
В точке 1 (рисунок 3) сила нормального давления лопатки достигает максимальной величины, и кавитационные процессы наиболее выражены в силу того, что разность давления в смежных ячейках достигает максимальных значений.
предварительно рассверливаются до продолговатой формы.
Создание новой геометрии корпуса обеспечивает «контакт» ротора с зеркалом корпуса цилиндра не по одной линии, как у серийных насосов, а по определенной площадке по длине дуг окружности контакта. Причем граница поверхности расточки должна совпадать с нижней кромкой окна нагнетания во избежание образования вредного пространства и защемления воздуха в нем.
Сравнивая характеристики износов новых насосов и насосов, восстановленных методом проточки корпуса (рисунки 5 и 6), видно, что износ поверхности в характерных точках у них различен. У новых серийных насосов скорость износа в точке 1 - точке наибольшего сближения ротора и корпуса в несколько раз выше, чем в других точках цилиндрической поверхности. Через 1400 часов работы
3(31) 2015
насоса он составил 1,58 мм, в то время, как в точках 2, 3 и 4 величина износов приблизительно одинакова и составила 0,25-0,45 мм. Самый малый износ соответствует точке 3 корпуса.
Характер изношенных поверхностей также различен. Если в точках 2, 3 и 4 не произошло существенного изменения геометрии поверхности, то есть она осталась цилиндрической, то в точке 1 образовалась поверхность в виде канавки (или лунки) вдоль образующей цилиндрической поверхности корпуса. Появление такого характера износа
поверхности свидетельствует о наличии кавитационных процессов во время работы насоса.
У насосов, восстановленных методом проточки корпуса, износ рабочей поверхности более равномерен. Характеристики износов их отличаются от характеристик износов новых насосов тем, что в точках 2, 3 и 4 практически отсутствует период приработки, а изнашивание происходит менее
интенсивно. За 1400 часов работы насосов износ в этих точках составил в среднем 0,3 мм.
1 - направляющая шпилька; 2 и 3 - образующие проточки и корпуса; 4 - начало проточки; 5 и 6 - отверстия крепления крышек; 7 - шпилька Рисунок 4 - Схема ремонта ротационного вакуумного насоса
о «
о <и
£ К
К Я
о О
к
СО ¡22
2
1,8
1,6
3 1,4
а
£ 1,2
о
о 1
к
и а 0,8
<и
и 0,6
о
к 0,4
0,2
0
Э 1
Ц 4
^——___Н 2
3
500
1000
1500
2000
Наработка, час
2500
1, 2, 3, 4 - характерные точки износа по рисунку 4 Рисунок 5 - Износ корпуса серийных вакуумных насосов РВН 40/350
1, 2, 3, 4 - характерные точки износа по рисунку 4 Рисунок 6 - Износ корпуса восстановленных вакуумных насосов РВН 40/350
0
В точке 1 износ поверхности несколько выше и отмечается период приработки поверхности, но его величина сопоставима с величинами износов в других точках поверхностей. За 1400 часов работы насоса износ в точке 1 его составил 0,32 мм. В связи с тем, что период приработки зависит от чистоты обработанной поверхности, то при соответствующей технологии проточки период приработки может быть сокращен до минимума.
Выводы.
- соразмерность износов во всех точках цилиндрической поверхности служит основанием для утверждения, что
при восстановлении корпуса проточкой поверхности исчезают или уменьшаются до незначимых величин кавитационные процессы при работе такого насоса;
- снижение интенсивности износа рабочей поверхности корпуса насоса, восстановленного методом проточки, вероятнее всего, связано с уменьшением количества железа, попадающего в смазку в результате изнашивания трущихся поверхностей.
Литература
1. Мжельский, Н.И. Вакуумные насосы для доильных установок / Н.И.
Мжельский. - Москва: Машиностроение, 1974. - 152 с.
2. Исупова, И.В. Совершенствование технологии восстановления ротационных вакуумных насосов пластинчатого типа: диссертация кандидата технических наук / И.В. Исупова. - Зерноград, 2000. - 143 с.
3. Редин, И.В. Повышение безотказности вакуумных насосов доильных установок // Механизация и электрификация сельского хозяйства. -1976. - № 3. - С. 52-53.
4. Захарин, А.В. Повышение эффективности работы вакуумных насосов пластинчатого типа модернизацией конструкции при ремонте: диссертация кандидата технических наук / А.В. Захарин. - Зерноград, 2012. - 164 с.
5. Лебедев, А.Т. Повышение долговечности вакуумного насоса пластинчатого типа / А.Т. Лебедев, А.В. Захарин,
A.С. Слюсарев // Тракторы и сельхозмашины. - 2007. - № 7. - С. 43-45.
6. Восстановление деталей машин: справочник / Ф.И. Пантелеенко, В.П. Лялякин, В.П. Иванов, В.М. Константинов; под ред. В.П. Иванова. - Москва: Машиностроение, 2003. - 672 с.
7. Черноиванов, В.И. Модернизация сельскохозяйственных машин, находящихся в эксплуатации: монография /
B.И. Черноиванов, Д.И. Есаков, А.Э. Северный и др. - Москва: ГОСНИТИ, 2003.
8. Гуков, А.П. Некоторые результаты экспериментальных исследований вакуумного насоса с вращающимся корпусом
/ А.П. Гуков, И. Н. Краснов // Совершенствование процессов и технических средств в АПК. - Зерноград, 2002. - Вып. 4. - С. 41-44.
9. Лебедев, А.Т. Влияние длительности непрерывной работы вакуумного насоса пластинчатого типа на его технические характеристики / А.Т. Лебедев, А.В. Захарин // Тракторы и сельхозмашины. - 2011. - № 10.
10. Авторское свидетельство № 1134792 SU, МПК F 04С 15/00. Корпус ротационного вакуумного насоса / Крас-
нов И.Н., Поспелов В.Г., Сидоренко П.В., Ковтун И.В.; заявитель Всероссийский научно-исследовательский и проектно-технологический институт механизации и электрификации сельского хозяйства -№ 3517950/25-06; заявл. 29.11.1982, опубл. 25.01.1985, Бюл. № 2.
References
1. Mzhel'skij N.I. Vakuumnye nasosy dlja doil'nyh ustanovok [Vacuum pumps for milking machines], Moscow, Mashinostroenie, 1974, 152 p.
2. Isupova I.V. Sovershenstvovanie tekhnologii vosstanovlenija rotacionnyh vakuumnyh nasosov plastinchatogo tipa: dis. kand. tehn. nauk [Improving recovery technology of rotary vacuum pumps of type
plate: author's thesis], Zernograd, 2000, 143 p.
3. Redin I.V. Povyshenie bezotkaznosti vakuumnyh nasosov doil'nyh ustanovok [Increasing the failure operation of vacuum pumps of milking machines], Mehanizacija i jelektrifikacija sel'skogo hozjajstva, 1976, No. 3, pp. 52-53.
4. Zaharin A.V. Povyshenie jeffektiv-nosti raboty vakuumnyh nasosov plastincha-togo tipa modernizaciej konstrukcii pri remonte: dis. kand. tehn. nauk, [Improving the operation efficiency of vacuum pumps of the plate type by modernizing the structure at repair:
author's thesis], Zernograd, 2012, 164 p.
5. Lebedev A.T., Zaharin A.V., Sljusarev A.S. Povyshenie dolgovechnosti vakuumnogo nasosa plastinchatogo tipa [Increasing durability of the vacuum pump of plate type], Traktory i sel'hozmashiny, 2007, No. 7, pp. 43-45.
6. Panteleenko F.I., Ljaljakin V.P., Ivanov V.P., Konstantinov V.M. Vosstanovlenie detalej mashin: spravochnik, pod red. V.P. Ivanova [Restoration of machinery parts: Handbook], Moscow, Mashinostroenie, 2003, 672 p.
7. Chernoivanov V.I., Esakov D.I., Severnyj A.Je. i dr. Modernizacija sel'skohozjajstvennyh mashin, nahodjashhihsja v jekspluatacii: monografija [Modernization of agricultural machinery
being in operation: a monograph], Moscow, GOSNITI, 2003.
8. Gukov, A.P., Krasnov I.N. Nekotorye rezul'taty jeksperimental'nyh issledovanij vakuumnogo nasosa s vrashhajushhimsja korpusom [Some results of experimental studies of the vacuum pump with a rotating body], Sovershenstvovanie processov i tehnicheskih sredstv v APK, Zernograd, 2002, Issue 4, pp. 41-44.
9. Lebedev A.T. Zaharin A.V. Vlijanie dlitel'nosti nepreryvnoj raboty vakuumnogo nasosa plastinchatogo tipa na ego tehnicheskie harakteristiki [Effect of continuous operation duration of the plate type vacuum pump on its specifications], Traktory i sel'hozmashiny, 2011, No. 10.
10. Krasnov I.N., Pospelov V.G., Sidorenko P.V., Kovtun I.V. Avtorskoe svidetel'stvo No.1134792 SU, MPK F04S15/00. Korpus rotacionnogo vaku-umnogo nasosa [The copyright certificate №1134792 SU, IPC F 04s 15/00. The body of the rotary vacuum pump]; zajavitel' Vserossijskij nauchno-issledovatel'skij i proektno-tehnologicheskij institut mehanizacii i jelektri-fikacii sel'skogo hozjajstva, No. 3517950/25-06; zajavl. 29.11.1982, opubl. 25.01.1985. Bjul. No. 2.
Сведения об авторах
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: [email protected].
Исупова Ирина Владимировна - кандидат технических наук, доцент кафедры «Теоретическая и прикладная механика», Азово-Черноморский инженерный институт -филиал ФГБОУ ВО «Донской государственный аграрный университет» в г. Зернограде (Ростовская область, Россия). Тел.: 8-928-613-13-89. E-mail: [email protected].
Краснова Александра Юрьевна - кандидат технических наук, доцент кафедры «Управление качеством в агроинженерии», Азово-Черноморский инженерный институт -филиал ФГБОУ ВО «Донской государственный аграрный университет» в г. Зернограде (Ростовская область, Россия). Тел.: 8-908-175-33-21. E-mail: [email protected].
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: [email protected].
Isupova Irina Vladimirovna - Candidate of Technical Sciences, associate professor of the Theoretical and applied mechanics department, Azov-Black Sea Engineering Institute - branch of FSBEI HE "Don State Agrarian University" in Zernograd (Rostov region, Russia). Pho^: 8-928613-13-89. E-mail: [email protected].
Krasnova Alexandra Jurievna - Candidate of Technical Sciences, associate professor of the Quality management in agroengineering department, Azov-Black Sea Engineering Institute -branch of FSBEI HE "Don State Agrarian University" in Zernograd (Rostov region, Russia). Pho^: 8-908-175-33-21. E-mail: [email protected].
