автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.01, диссертация на тему:Обоснование конструктивно-кинематических параметров водокольцевого вакуумного насоса двойного действия для доильных установок

ВВЕДЕНИЕ

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА. ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ

ИССЛЕДОВАНИЯ

1Л. Существующие конструкции механических вакуумных насосов, их классификация.

1.2. Основные требования, предъявляемые к вакуумным насосам на доильных установках при машинном доении ю коров

1.3. Краткий исторический обзор развития вакуумных насосов 12 для доильных установок

1.3.1. Поршневые вакуумные насосы

1.3.2. Ротационные вакуумные насосы

1.3.3. Водокольцевые вакуумные насосы

1.4. Существующие методы расчета водокольцевых вакуумных насосов.

Выводы. Цель и задачи исследования

2. ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ КОНСТРУКТИВНО-КИНЕМАТИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ВОДОКОЛЬЦЕВОГО ВАКУУМНОГО НАСОСА ДВОЙНОГО ДЕЙСТВИЯ

2.1. Процесс сжатия воздуха и модель движения потока жидкости

2.2. Быстрота действия и геометрия рабочего колеса

2.3. Параметры вакуум-насоса и основные конструктивные соотношения

2.3.1. Расчет объема ячейки,расположенной за окном всасывания

2.3.2. Расчет объема ячейки, расположенной перед окном нагнетания

2.3.3. Выбор формы лопаток колеса

2.3.4. Определение относительного эксцентриситета насоса

2.4. Эффективная мощность

Выводы

3. ПРОГРАММА И МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ.

3.1. Цель экспериментальных исследований

3.2. Описание экспериментальной установки и обоснование ее параметров

3.3. Преобразование факторного пространства методами теории размерности при разработке математической модели

3.4. Методика планирования эксперимента

3.5. Тарировка измерителей расхода

4. АНАЛИЗ РЕЗУЛЬТАТОВ ЭКСПЕРИМЕНТА

4.1 Углы расположения всасывающих и нагнетательных окон

4.2 Энергоемкость рабочего процесса

4.3 Быстрота действия вакуум-насоса

4.4 Решение оптимизационной задачи

5. ОЦЕНКА ЭКОНОМИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЯ

Совершенствование механизированных технологий производства молока и говядины является основополагающим моментом в интенсивном развитии животноводства. Состояние механизации и автоматизации производственных процессов приобретает особую актуальность, в связи с повышением предъявляемых к нему требований [18, 68, 82].

Одним из основных путей увеличения продуктивности животных и повышения эффективности производства животноводческой продукции является внедрение новых типов машин, в том числе доильных установок и доильного оборудования. Разрабатываемые и внедряемые технологии в животноводстве должны учитывать не только требования машинного производства, но индивидуальные и физиологические особенности животных [8, 60]. Нарушение режимов работы доильных установок приводит к снижению продуктивности коров и преждевременной выбраковке, а также может вызвать заболевание коров [8, 42]. Все это отрицательно сказывается на эффективности отрасли.

С целью поддержания стабильного вакуумного режима в молочной и вакуумной линиях независимо от величины расхода воздуха такие фирмы, как "Альфа-лаваль" (Швеция), "Сак-Комбина" (Дания), "Фулвуд" (Англия) выпускают вакуумные регуляторы специальной конструкции, а также уделяют большое внимание совершенствованию вакуумных насосов [68].

Важное место в работе зарубежных фирм и исследовательских центров занимают работы по стандартизации параметров и конструктивных элементов доильных систем.

Проблемы машинного доения сводятся к необходимости создания физиологически безопасной высокопроизводительной машины, требующей минимальных затрат ручного труда. Важным является научное обоснование зооветеринарных и технических требований к доильным машинам и оборудованию, а также обобщение существующих норм, сложившихся в результате практики разработки и эксплуатации доильных установок. Любое отклонение от правил доения снижает продуктивность коров и вызывает заболевание вымени.

Работа доильных машин главным образом зависит от вакуумных установок, обеспечивающих доильные аппараты стабильным вакуумом. При исследовании влияния величины вакуумного режима на процесс доения Cloudh [104] выяснил, что с увеличением величины вакуума от 300 до 380 мм. рт. ст. отмечается увеличение скорости доения. Однако, изменение вакуума от 230 до 380 мм рт. ст. приводит к снижению средней скорости доения с 1,72 до 1,50 кг/мин., а максимальной скорости с 2,9 до 2,58 кг/мин. Ochring и Hansen [105] также отводят решающую роль стабильности вакуумного режима во время доения. Исследования показали, что максимальный вакуум во время доения должен составлять 380 мм. рт. ст., а дальнейшее его повышение приводит к снижению удоя. Аналогичные выводы делают Л.П. Карташов, Админ Е.А. и др.

Поэтому существуют тенденции в поиске новых технических решений в области совершенствования вакуумных насосов, применительно к данным условиям работы.

В связи с этим в Алтайском государственном аграрном университете проводятся испытания водокольцевого вакуумного насоса двойного действия.

Объект исследования. Водокольцевой вакуумный насос. Предмет исследования. Рабочий процесс водокольцевого вакуумного насоса двойного действия. Научная новизна:

1) Установлены закономерности рабочего процесса водокольцевого вакуумного насоса двойного действия, которые позволяют выявить наиболее рациональные режимы работы, обеспечивающие снижение энергетических затрат.

2) Выяснено влияние формы и углов расположения кромок окон всасывания и нагнетания на величину вакуума, а также их положение относительно корпуса в зависимости от потребной подачи вакуум-насоса.

3) Выявлены критерии подобия для водокольцевых вакуумных насосов двойного действия являющиеся научно-методической базой для создания и проектирования типоразмерных рядов этих устройств различной производительности.

4) Разработана новая конструкция водокольцевого вакуумного насоса двойного действия с изменяемой подачей в зависимости от числа потребителей.

Практическая ценность.

Снижение энергозатрат и металлоемкости на единицу подачи, путем оптимизации параметров водокольцевого вакуум-насоса двойного действия.

Реализация результатов исследований.

1) Техническая документация и результаты исследований водокольцевого вакуумного насоса переданы Государственному унитарному предприятию 011КБ АНИИЗиС.

2) Проведены испытания насоса в ОАО "Кипринское".

Апробация работы.

Основные результаты исследований были доложены и одобрены на научных конференциях Алтайского государственного аграрного университета (1999-2001), на XII Байкальской международной конференции (2001 г.), на городской конференции «Молодежь Барнаулу» (2001 г.).

Публикации.

По теме диссертационной работы опубликовано 4 печатные работы.

Объем работы.

Диссертация изложена на 146 страницах машинописного текста, содержащих 43 рисунка, 30 таблиц и 2 приложения. Список использованной литературы включает 112 наименований, из них 4 на иностранных языках.

Работа выполнена в Алтайском государственном аграрном университете.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

Проведенные исследования позволяют сделать следующие выводы:

1. Сравнительный анализ существующих вакуумных насосов, применяемых на доильных установках показал, что наиболее несложными и дешевыми в эксплуатации являются водокольцевые вакуумные насосы. Одним из направлений их развития является совершенствование насосов двойного действия.

2. В результате построения математической модели выявлены основные факторы, влияющие на подачу водокольцевого насоса двойного действия: число оборотов рабочего колеса, относительный эксцентриситет, выходной угол лопаток колеса, их число, а так же углы расположения окон всасывания и нагнетания. Теоретические исследования рабочего процесса откачки воздуха определили схему и некоторые конструктивно-кинематические параметры вакуум-насоса.

3. Экспериментальное исследование фаз газораспределения подтвердило теоретический вывод о том, что профилирование окон оказывает большое влияние на форму внутренней поверхности водяного кольца, которая в сечении, перпендикулярном оси вращения, имеет форму, эквидистантную корпусу и повернутую по направлению вращения.

4. Выявлены критерии подобия рабочего процесса, позволяющие проектировать и конструировать типоразмерные ряды водокольцевых вакуумных насосов двойного действия. Экспериментально установлено, что эффективность работы вакуум-насоса в отношении подачи и энергоемкости процесса увеличивается с ростом числа 2

Рейнольдса, характеризуемого соотношением 2 0. По результатам V ж анализа математических моделей, описывающих рабочий процесс откачки газа, а так же принимая во внимание рациональность динамических режимов работы насоса, были выбраны оптимальные

Ill значения критериев подобия. А именно: число Рейнольдса R=1650; угол а отклонения окон от нормали 10°; относительный эксцентриситет s корпуса 0,148; выходной угол р2 лопаток колеса 130°.

5. Выявлены критерии подобия для водокольцевых вакуумных насосов двойного действия, позволяющие проектировать и создавать типоразмерные ряды этих устройств различной производительности.

6. Применение предлагаемой конструкции водокольцевого вакуумного насоса двойного действия в сравнении с существующими насосами ДВВН-1,5/90М1 и ВВН-Ф-90 позволяет получить годовую экономию от снижения эксплуатационных затрат в размере 7600 и 4700 руб. соответственно (в ценах на 2001 г.).

112

1. Айзерман М.А., Малишевский А.В. Некоторые аспекты общей теории выбора лучших вариантов. - М.: 1980. - 36 с.

2. Александрова А.Т. Новые способы передачи и формирования движения в вакууме. М.: Высшая школа, 1979. - 71 с.

3. Антроповский Н.М. Испытание водокольцевых вакуумных насосов с системой циркуляции рабочей жидкости. // Совершенствование механизированных технологий производства молока и говядины. Подольск, 1991. - с. 103-108.

4. А.с, 646091 М.Кл." F 04 С 7/00. Жидкостнокольцевая машина с регулируемой производительностью / Л.Т. Караганов и А.Е. Юшин. Опубл. 05.02.79 Бюл. №5.

5. А.с. 608984 М.Кл.2 F 04 С 7/00. Жидкостнокольцевая машина / Л.Т. Караганов и И.Д. Михайлец. Опубл. 30.05.78 Бюл. №20.

6. Ашкинази Л.А. Вакуум для науки и техники. М.: Наука, 1987. -124 с.

7. Балицкий А.В. Технологии изготовления вакуумной аппаратуры. Изд. 3-е, перераб. и доп. -М.: Энергия, 1974. 128 с.

8. Балковой И.И., Звиняцковский В.Г., Сорокина Л.И., Медведева А.П. Состояние вымени коров при низковакуумном доении // VI Всесоюзный симпозиум по машинному доению сельскохозяйственных животных. - Москва, 1983.-е. 109-110.

9. Бирюков Б.Н. Роторно-поршневые гидравлические машины. М.: Машиностроение, 1972. 156 с.

10. Ю.Бобровский С.А., Соколовский С.М. Гидравлика, насосы и компрессоры. М.: "Недра", 1972. 296 с.

11. Брусиловский И.В. Аэродинамический расчет осевых вентиляторов. М.: Машиностроение, 1986. - 288 с.

12. Вакуумная техника: Справочник. / Под ред. Е.С. Фролова М.: Машиностроение, - 1992. -471 с.

13. Вакуумное оборудование и вакуумная техника. М.: Изд. иностр. лит., - 1951. - 280 с.

14. Вакуумное оборудование и вакуумная техника / Под ред. А. Гутри и Р. Уокерлинга. М.: Машиностроение, 1968.

15. Веприцкий А.С. Исследование водокольцевого вакуум-насоса при работе на механическое доение коров и водоснабжение: Автореф. дис канд. техн. наук. М., 1955. - 21с.

16. Вершок А.Б. Аналитическое определение формы жидкостного кольца в водокольцевом компрессоре с вращающимся корпусом. М.: НИИХИММАШ, вып. 32, - 1959.

17. Вознесенский В. А. Статистические методы планирования эксперимента в технико-экономических исследованиях. М.: Статистика, - 1974.

18. VI Всесоюзный симпозиум по машинному доению сельскохозяйственных животных / Под ред. Э.К. Вальдман, Х.А. Райд, Г.Б. Тверской Москва, - 1983. - 156 с.

19. Выбор и способы соединения вакуумных насосов в зависимости от характеристики пневмомолокопроводов // Научно-методические рекомендации / сост. А.Е. Кузьмин Иркутск, 1988.- 27с.

20. Выгодский М.Я. Справочник по элементарной математике. М.: Наука, 1976.-336 с.

21. Гейнце В. Введение в вакуумную технику: Пер. с нем./ Под ред. М.И. Меньшикова. М. - Л.:Госэнергоиздат, 1960. - 511 с.

22. Гидон Л.Н. Монтаж поршневых компрессоров. М.: Машиностроение, 1982.- 236 с.

23. ГОСТ 23728-88. Основные положения и показатели экономической эффективности. М.: Изд-во стандартов, 1988. -25с.

24. Горшков A.M. Насосы. М.: Госэнергоиздат, 1947. - 188 с.

25. Грошковский Я. Техника высокого вакуума. М.: Мир, 1975. -622 е.

26. Грачев Ю.П. Математические методы планирования экспериментов. М.: Пищевая пром-сть, 1979. - 520 с.

27. Гусейнов Ф.Г., Мамедяров О.С. Планирование эксперимента в задачах электроэнергетики. -М.: Энергоматиздат, 1988. 151с.

28. Данилин Б.С. Вакуум. М.: Знание, 1960. - 38 с.

29. Данилин Б.С. Вакуум и его применение. М.: Трудрезервиздат, 1958. - 89 с.

30. Дегтярев Г.П. Механизация молочных ферм и комплексов: Учебное пособие. М.: Высшая школа, 1984.-352с.

31. Ден Г.Н. Механика потока в центробежных компрессорах. JI.: Машиностроение, 1973. 270 с.

32. Дурнов П.И. Насосы, вентиляторы, компрессоры. Киев: Высш. шк, 1985. - 262 с.

33. Дурнов П.И. Насосы и компрессорные машины. Москва-Киев: Машгиз, - 1960. - 285 с.

34. Дэшман, Саул. Научные основы вакуумной техники. Под. ред. М.И. Меньшикова. М.: Мир , 1964.

35. Жаворонков В.П., Антроповский Н.М. Обоснование применения централизованных вакуумных установок на молочных фермах и комплексах. // Интенсификация механизированных технологий производства молока и говядины. ВНИИМЖ, 1989. с. 136 - 143.

36. Желтунов М.Г., Стрижов В.М. Снижение энергоемкости жидкостно-кольцевых вакуумных насосов // Механизация технологических процессов в сельском хозяйстве иперерабатывающей промышленности. / АГАУ. Барнаул: Изд-во АГУ, 1997.-233 с.

37. Знаменский Г.М. Насосы, компрессоры, вентиляторы. Изд. 2-е, доп. и испр. Киев: Гостехиздат Украины, 1951.

38. Иванов П.Ф. и др. Машинное доение коров. М.: Моск. рабочий, 1974.- 104 с.

39. Иванов О.П., Мамченко В.О. Аэродинамика и вентиляторы. Л.: Машиностроение, 1986 - 180 с.

40. Исаев А.П. и др. Гидравлика и гидромеханизация сельскохозяйственных процессов. -М.: Агропромиздат. 1990. -400с.

41. Карелин В.Я. Изнашивание лопастных насосов. М.: Машиностроение, 1983,- 197 с.

42. Карташов Л.П. Машинное доение коров. М.: Колос, 1982. -301с.

43. Каталог В/О "Машиноэкспорт". Ротационные водокольцевые вакуум-насосы РМК, 1983.

44. Киселев В.И. Насосы, компрессоры и вентиляторы. М.: Металлургиздат, 1961. - 400 с.

45. Колебания и вибрации в поршневых компрессорах. Л.: Машиностроение, 1972. 224 с.

46. Коптев В.В. и др. Основы научных исследований и патентоведения. -М.: Колос, 1983. 144 с.

47. Королев Б.И. Основы вакуумной техники. -М.-Л.: Энергия, 1964. 464 с.

48. Кремлевский П.П. Расходомеры и счетчики количества. Изд. 3-е, перераб. и доп. Л.: Машиностроение, 1975.

49. Кузнецов В.И. Механические вакуумные насосы. М.-Л.: Госэнергоиздат, 1959.- 280 с.

50. Куреченко Е.Т. Справочник по физическим основам вакуумной техники. Киев: Высш. шк., 1981. - 263 с.

51. Ланис В. А., Левина Л.Е. Практические основы техники вакуумных испытаний. М.-Л.: Еосэнергоиздат, 1955. - 120 с.

52. Левин Г. Основы вакуумной техники. М.: Энергия, 1969. -272с.

53. Лившиц С.П. Аэродинамика центробежных компрессорных машин. М.: Машиностроение, 1966. - 339с.

54. Лисичкин В.Е. и Горшков A.M., Компрессорные машины. М.: Энергоиздат, 1948.

55. Лопаточные машины и струйные аппараты, Сб. статей. М.: Машиностоение, 1967.- 80 с.

56. Лойцянский Л.Г. Механика жидкости и газа. М.: Физматгиз, 1959.-784 с.

57. Макаров И.М. и др. Теория выбора и принятия решений. М.: Наука, 1982,- 312 с.

58. Марон И.А. Дифференциальное и интегральное исчисление в примерах и задачах. Функции одной переменной, изд. 2-е, стереотипное. М.: Наука. Главная редакция физико-математической литературы, 1973. - 400 с.

59. Медников М.И. Вводы движения в вакуум. М.: Машиностроение, 1974.- 182 с.

60. Мельников С.В. Технологическое оборудование животноводческих ферм и комплексов. 2-е изд., перераб. и доп. - Л.: Агропромиздат, 1985. - 640 с.

61. Методика определения экономической эффективности технологий сельскохозяйственной техники / М во сельского хозяйства и продовольствия Р.Ф. В 2 - х ч. - М., 1998.

62. Механические вакуумные насосы / Е.С. Фролов, И.В. Автономова, В.И. Васильев и др. М.: Машиностроение, 1989. -288 с.

63. Минайчев В.Е. Вакуумные крио-насосы. М.: Энергия, 1976. -151 с.

64. Многокритериальное принятие решений в природопользовании. / А.А. Цхай, Х.П. Нахтнебел и др. Комис. Европ. сообщество (КЕС). Барнаул: Изд-во АлтГТУ, 2000. - 220 с.

65. Насосы и компрессоры. С.А. Абдурашидов, А.А. Туниченко и др. М.: Агропромиздат, 1987. - 271 с.

66. Основные тенденции развития конструкций доильных установок в СССР и за рубежом. / под ред. Перфилова В.А. М.: ЦНИИТЭИ Тракторосельхозмаш, 1973. - 48 с.

67. Пипко А.И. и др. Конструирование и расчет вакуумных систем. -М.: Энергия, 1970,- 504 с.

68. Планирование эксперимента в исследовании технологических процессов / К. Хартман, Э. Лецкий, В. Шефер и др. М.: Мир, 1977.-522 с.

69. Планирование эксперимента в исследованиях сельскохозяйственных процессов / С.В. Мельников, В.Р. Алешкин, П.М. Рощин. 2-е изд., перераб. и доп. - Л.: Колос, 1980. - 160 с.

70. Планирование эксперимента при поиске оптимальных условий / Ю.П. Адлер, Е.В. Маркова, Ю.В. Грановский. М.: Наука, 1976. -278 с.

71. Пластилин П.И. Теория и расчет поршневых компрессоров. М.: Агропромиздат, 1987. - 272 с.

72. Пневматика и гидравлика: Приводы и системы управления / Под общ. ред. Е.В. Герц. М.: Машиностроение, 1987. - 304 с.

73. Подиновский В.В. Многокритериальные задачи с упорядоченными по важности критериями // АиТ, 1976. -№11. с. 118-127.

74. Порфирюк В.И., Титов В.М., Агеев Д.В. Использование насосов типа ВВН при машинном доении / Экспресс-информация "Монтаж, пусконаладка и ТО машин и оборудования на животноводческих фермах" 1982. - №3. - с. 6-9.

75. Пфлейдерер К. Лопастные машины для жидкостей и газов. М.: Машгиз, 1959. - 684 с.

76. Розанов Л.Н. Вакуумная техника. М.: Высшая школа., 1990. -320 с.

77. Розанов Л.Н. Вакуумная техника. М.: Высш. шк., 1982. - 207 с.

78. Розанов Л.Н. Вакуумные машины и установки. Л.: Машиностроение, 1975.

79. Ротационные компрессоры/ А.Г. Головинцов, В.А. Румянцев, В.И. Ардашев и др.; Под ред. А.Г. Головинцова. М.: Машгиз, 1964 - 314 с.

80. Сборник материалов по вакуумной технике. М.-Л.: Госэнергоиздат, 1956.- 80 с.

81. Седов Л.И. Методы подобия и размерности в механике, изд. 9-е, переработанное. М.: Наука. Главная редакция физико-математической литературы, 1981. - 448 с.

82. Семидуберский Н.С. Насосы, компрессоры, вентиляторы. М.: Высш. школа. 1974. - 232 с.

83. Сорокин В, Антроповский Н. Вот что нужно фермеру // Сельский механизатор. №2, 1998. с.27-28.

84. Статистические методы в инженерных исследованиях (лабораторный практикум): Учеб. пособие / В.П. Бородюк, А.П. Вощинин, А.З. Иванов и др.; под ред. Г.К. Круга. М.: Высшая школа, 1983. - 216 с.

85. Суханов Д.Я. Работа лопастных насосов на вязких жидкостях. -М.: Машгиз, 1952. 34 с.

86. Таблицы планов эксперимента для факторных и полиномиальных моделей (справочное издание) / В.З. Бродский, Л.И. Бродский, Т.И. Голикова и др. М.: Металлургия, 1982. - 752 с.

87. Теории подобия и размерностей. Моделирование. Алабужев П.М. и др. Высшая школа, 1968. 208 с.

88. Тетерюков В.И. Ротационные вакуум-насосы с жидкостным поршнем. -М.: Машгиз, 1960. 251 с.

89. Тетерюков В.И., Выбор оптимальных условий работы ротационного вакуум-насоса с жидкостным поршнем. Ж. "Химическое машиностроение" №5, 1960.

90. Черкасский В.М. и др. Насосы, вентиляторы, компрессоры. Учебное пособие для энергетических вузов и факультетов. Изд. 2-е, переработ, и доп. М.: Энергия, 1968. 93.Черкасский В.М. Насосы, вентиляторы, компрессоры. Обзорная инф. - 1984.

91. Чиняев И.А. Лопастные насосы. Справочное пособие. Л.:

92. Машиностроение, 1973. 184 с. 95.Чиняев И.А. Поршневые насосы. - М.-Л.: Машиностроние, 1966. - 188 с.

93. Чиняев И.А. Роторные насосы. Спр. пособие Л.: Машиностроние, 1969.

94. Шерстюк А.Н. Компрессоры. -М.: Энергоиздат, 1959.

95. Френкель М.И. Поршневые компрессоры.- Л.: Машгиз, 1960.

96. Фролов Е.С. Турбомолекулярные вакуумные насосы. М.: Машиностроение, 1980.- 119 с.

97. Хамеев В.М. Термодинамические процессы и параметрические характеристики вакуумных насосов. -Новосибирск: Наука, 1986. 74 с.

98. Хлумский В. Ротационные компрессоры и вакуум-насосы. -M.-JT.: Госэнергоиздат, 1957. 248 с.

99. Холщевников К.В. Теория и расчет авиационных лопаточных машин. М.: Машиностроение, 1970. - 604 с.

100. ЮЗ.Якадин А.И. Эксплуатация поршневых компрессоров. M.-JL: Госэнергоиздат, 1957. - 248 с.

101. Sauerman G., Gasmaschinen und Kompressoren mit Wasserkolben, Berlin, 1937.

102. Microsoft Excel User s Guide. Cambridge, MA, USA: Microsoft Corporation, 1994. - 786 p.

103. Матвеев А.Н., Федоренко И.Я. Обоснование параметров водокольцевого вакуумного насоса двойного действия для121доильных установок. Вестник алтайской науки, 2001, №2, с. 162 -165.

104. Матвеев А.Н. Основные конструктивные соотношения водокольцевого вакуумного насоса двойного действия // Совершенствование технологий и технических средств в АПК: Юбилейный сборник / АГАУ, Барнаул, 2001, с. 147 151.