автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.03, диссертация на тему:Повышение эффективности работы вакуумных насосов пластинчатого типа модернизацией конструкции при ремонте

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

1 мдр гш

Зерноград-2012

005011296

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 « ф » 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 готовность 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 производительности в результате увеличения длительности непрерывной работы. Даже незначительное нарушение режима работы вакуумных установок приводит к снижению качества продукции, повышению расхода электроэнергии и нарушению технологических процессов. Необходимость поддержания высокой технической готовности вакуумных насосов и установок, непродолжительный период резервного времени для восстановления работоспособности обусловливают повышенные требования к качеству ремонта вакуумных насосов, а также его специфику.

В связи с этим разработка мероприятий, обеспечивающих повышение эффективности РВН за счет модернизации их конструкции при ремонте, представляет практический 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 оборудования АПК путем их модернизации при ремонте и создания требуемых эксплуатационных свойств рабочих поверхностей деталей, контактирующих друг с другом».

Цель исследований - повышение эффективности работы РВН за счет модернизации его конструкции при ремонте.

Объект исследования - рабочие поверхности деталей основных пар трения ротационного пластинчатого вакуумного насоса, определяющие его межремонтный ресурс и эффективность работы.

Предмет исследования - закономерности процесса изнашивания рабочих поверхностей деталей основных пар трения вакуумных насосов.

Методы исследований предусматривали использование теории вероятности и надежности, математического анализа и системного подхода, обеспечивающих аналитическое описание эффективного использования вакуумных насосов, стандартных методик стендовых и эксплуатационных испытаний на современном оборудовании, а также методов планирования многофакторного эксперимента, математической статистики для обработки полученных результатов и частные методики исследования работоспособности насоса.

Научная новизна. Разработана теоретическая модель формирования параметрического 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; обоснован способ повышения ресурса за счет выбора материала и условий контактирования рабочих поверхностей деталей насоса и определены аналитические зависимости межремонтных ресурсов серийных и модернизированных насосов; установлены аналитические зависимости влияния длительности непрерывной работы на межремонтный ресурс серийных и модернизированных РВН.

2. Статьи в сборниках конференций и семинаров

5. Захарин, А. В. Исследования эксплуатационных параметров вакуумного насоса пластинчатого типа после его модернизации [Текст] / А. В. Захарин // Актуальные проблемы научно-технического прогресса в АПК : сборник научных статей VI Международной научно-практической конференции в рамках XIII Международной агропромышленной выставки «Агроуниверсал-2011». - Ставрополь : АГРУ С, 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 усовершенствованной 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 : АГРУ С, 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 технологий в агропромышленном комплексе : сборник научных трудов III Российской научно-практической конференции. Том II. - Ставрополь : АГРУ С, 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: сборник материалов Международной научно-практической конференции. Часть I. - Ставрополь : 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 технических средств в АПК : сборник материалов 69-й научно-практической конференции. - Ставрополь : АГРУС, 2005. - С. 150-152.

11. Захарин, А. В. Способы снижения затрат энергии при работе вакуумного насоса пластинчатого типа [Текст] / А. Т. Лебедев, А. В. Захарин, А. Н. Кобылко, П. А. Лебедев // 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 пластинчатого типа [Текст] / А. Т. Лебедев, А. В. Захарин, А. Н. Кобылко // Производство и ремонт машин : сборник материалов Международной научно-технической конференции. - 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.

Практическая значимость работы. Предложена модернизация конструкции вакуумного насоса пластинчатого типа при его ремонте, обеспечивающая повышение долговечности, стабилизацию вакуума и снижение затрат на привод. Новизна предложенного технического решения подтверждена патентами РФ на изобретение и полезные модели: № 48062, № 54107, № 2333392. Разработана технологическая документация и маршрутно-технологические карты на изготовление оснастки и приспособлений, которая позволяет выполнять все технологические операции по модернизации вакуумных насосов при их ремонте.

Апробация работы. Основные результаты исследований представлены на: Международной выставке-конгрессе «Высокие технологии. Инновации. Инвестиции» (Санкт-Петербург, 2007-2008); Международной научно-практической конференции «Производство и ремонт машин» (Ставрополь, 2005); III Российской научно-практической конференции «Физико-технические проблемы создания новых технологий в агропромышленном комплексе» (Ставрополь, 2005); 69-й научно-практической конференции «Совершенствование технологий и технических средств в АПК» (Ставрополь, 2005); международных специализированных агропромышленных выставках «Агроунивер-сал» (Ставрополь, 2005-2011); 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 технологий в АПК» (Ставрополь, 2011). Победитель программы Министерства образования и науки Российской Федерации «Участник молодежного научно-инновационного конкурса» (Ставрополь, 2010).

Реализация результатов исследования. По результатам выполненных исследований разработан комплект технологической документации по модернизации РВН, который 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 вакуумный 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 числе 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 формирования параметрического отказа РВН, в иерархической схеме которого выделены рабочие 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 н структура диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов, списка используемой литературы и приложений, изложенных на 137 страницах машинописного текста, в том числе 60 рисунков и 7 таблиц. Список используемой литературы включает 101 наименование, в том числе 4 -на иностранных языках. Имеются 17 приложений на 48 страницах.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы, излагаются цель работы, ее краткая характеристика, новизна и значимость результатов для науки и практики.

В первой главе «Состояние вопроса эффективности применения вакуумных насосов при реализации технологических процессов» представлена краткая классификация вакуумных насосов, рассмотрены их основные параметры и характеристики, выполнен анализ существующих схем вакуумных насосов и научных исследований по повышению 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. Непосредственно вопросам ремонта оборудования животноводческих ферм и комплексов, их надежности, обоснованию норм расхода запасных частей, в том числе и вакуумной техники, исследования её рабочих процессов, создания методики расчета, оптимизации её конструктивных и технологических параметров посвящены 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 перспективными в настоящее время являются ротационные вакуумные насосы пластинчатого типа. Насосы данного типа отличаются простотой конструкции и технического обслуживания, быстроходностью, хорошей уравновешенностью и плавностью работы. Между тем, широко известно, что большинство этих машин недостаточно надежны в эксплуатации и зачастую работают с пониженной производительностью. К недостаткам таких насосов можно отнести сравнительно низкий межремонтный ресурс, снижение производительности с увеличением длительности непрерывной работы, несовершенность системы смазки, износ пластин из-за нагрева и трения.

Поэтому для поддержания необходимого вакуумного режима возникла потребность в дальнейшем совершенствовании пластинчатых вакуумных насосов и улучшении показателей их работы.

Рабочая гипотеза - эффективность работы вакуумных насосов пластинчатого типа, определяемая стабильной подачей в течение межремонтного ресурса, предполагается повысить за счет выбора материала рабочих поверхностей деталей, контактирующих 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 энергозатрат 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 функционирования 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, обосновать выбор материалов для их рабочих поверхностей и установить межремонтный 1 ресурс модернизированного ротационного вакуумного насоса (МРВН) с учетом длительности цикла непрерывной работы в лабораторных и производственных условиях;

- выполнить технико-экономическую оценку эффективности предложенных решений модернизации РВИ 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 работах поверхностей на надежность обеспечения подачи. РВН, входящий в состав оборудования какого-то технологического процесса, можно представить как самостоятельную сложную техническую! систему, состоящую из узлов и деталей, которые, в свою очередь, 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 корпуса, в вакуумном насосе образуется переменное рабочее пространство, ограниченное рабочими поверхностями этих деталей, которые должны обеспечить максимальную герметизацию контакта, чтобы предотвращать перетекания газа при образовании вакуума. Это и есть г^елевое назначение рабочих поверхностей деталей насоса.

Снижение подачи насоса является основной причиной для отправки насоса в ремонт. Оно происходит в результате увеличения перетечек газа через радиальный, торцевой зазор и зазоры между лопатками и пазами ротора в результате износа рабочих поверхностей пар трения насоса.

Доля перетечек газа через зазоры между лопатками и пазами ротора весьма незначительна, поэтому величиной перетечек через зазор между пазами ротора и лопаткой можно пренебречь, тогда действительная часовая подача вакуумного насоса будет равна

V, = У-У -V „(1)

дг Т щ щ1? у '

где УТ - теоретическая подача насоса, м3/ч; Ущ - объем перетечек газа через радиальный зазор, м3/ч; V - объем

Рисунок 1 - Иерархическая схема РВН

леретечек газа через торцевой зазор, м3/ч; V - объем перетечек газа через зазоры между лопатками и пазами ротора. м3/ч.

Лопатки за полный рабочий цикл перемещаются в пазах ротора, а также относительно корпуса насоса и его боковых крышек (рис. 2).

Линейная скорость лопаток ил каждый раз меняет свое направление, при повороте ротора из вертикального расположения паза при наибольшем удалении от цилиндра и прохождении точки их наибольшего сближения.

Касательные скорости, перпендикулярные к торцевой поверхности лопаток, характеризуют условия и особенности контакта с поверхностями неподвижных боковых крышек насоса. Поэтому в точке А (см. рис. 2) имеет место постоянное изменение условий и скорости контакта, что влияет на стабильность выполнения целевого назначения рабочих поверхностей насоса РВИ.

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 превосходят линейные скорости в 5... 7 раз, а следовательно, они и являются определяющими в интенсивности изнашивания.

1- корпус насоса, 2 - ротор, 3 - лопатка. Рисунок 2 - Схема работы РВН

2 1,5

0,5 0

-0,5 ■-1 --1,5 ■-2

-г/ ,

......

1,25В

Л-.

I о -

-1.256

135 1Г, 225 2(0 315 330

--..¡¡в! ........!..................

/ : I ; 1

16

15 •14 о 13 112 ¿11 610

§. 9

§ 8

й 6 5 5 5 4 5 з

а 2 * 1

I.........1.........1.........

„ :2.?7. "'54" ■■да' -1*1:5'" "Ш,<а<>-:-......... ........... -Г4;13 ■ ..-13.4....

___й-95. „7.1?...

- - -1

-Г- 1.В7 угол поворота, градусы

90 135 180 225 270 угол поворота, градусы

Рисунок 3 - Зависимость линейной скорости лопатки от угла поворота ротора

Рисунок 4 - Зависимость касательной скорости верхней и нижней точек торцевой поверхности лопатки от угла поворота ротора

В торцевом сопряжении износ лопаток и неподвижных боковых крышек ничем не компенсируется. Поэтому увеличение торцевого зазора является основным параметром 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 деталей и вакуумному насосу в целом, когда протекание различных процессов приводит

к изменению во времени торцевого зазора /гд, представлена на рисунке 5.

Время наступления отказа вакуумного на-1 coca при заданной вероятности безотказной работы, выраженное через величину кванти- ^ ля Як, зависит от скорости изнашивания пар трения, которую можно определить из уравнения в следующем виде:

у =к /Т-Н-а,,, (2)

' ср тах К "д 4

где к - торцевой зазор, м: Т- наработка насоса, ч; - среднее квадратичное отклонение действительного торцевого зазора.

Преобразование уравнения (2) дает возможность 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 нору + • ид мальному закону и постоянной скорости

''пред- • (3)

изнашивания

Анализируя полученные формулы и модель параметрического отказа (рис. 5), можно сделать вывод о том, что вероятность безотказной работы тем выше, чем ниже скорость изнашивания ус.

Решая уравнение ^2) относительно серийного насоса со средним межремонтным ресурсом Т= 850 ч, получим, что скорость изнашивания составит ysp= 4.47 - ICH мм/ч.

Для разработки способов повышения ресурса РВН рассмотрим жизненный цикл

существующих серийных насосов (рис. 6).

Учитывая несовершенство технологии восстановления и прогрессирующие процессы старения материалов, а также вероятностный характер получения сопрягаемых размеров и их смещения в сторону верхних ймшмсвьрвШЩч " ' границ допуска в мелкосе-

рийном производстве, по-Рисунок 6 - Схема для существующего (периоды /2, t3) что велищна 3 а

и предлагаемого (период i,,i„f, и др .(жизненного цикла '

вакуумного насоса ПРИ сбоР?е после

ремонта будет увеличиваться. Тогда, принимая для данных пар трения скорость изнашивания постоянной и при условии, что h <h<h2< hy каждый последующий межремонтный срок эксплуатации будет меньше предыдущего t>t> £,>...> г., пока не достигнет' конечного периода эксплуатации i.. Этот завершающий период определяет общий срок службы серийного насоса и его жизненный цикл.

обш 12 3 к

(4)

Отсюда следует, что повышение срока службы насоса возможно за счет увеличения количества циклов ремонтио-восстановительных операций и повышения межремонтного ресурса

(5)

Т' = г',+ *', + /',+ ... + <'.

общ 12 3 »1-

где /', ?', г '3, / ' - 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, усрм= 1,49 -10"4 мм/ч, что соответственно в 3 раза меньше, чем у серийного.

Основными параметрами, влияющими на скорость изнашивания пар трения, являются: 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 и Р); вид, условия и режимы смазки (Я"см); концентрация абразива в точках контакта (Са). Следовательно, в общем виде скорость изнашивания рабочих поверхностей можно представить зависимостью

у=/(М,Р.*Ксм,Сл). (6)

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 радиальных 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 продолжительное время, снизить затраты энергии на привод и проведение ремонтных работ.

В результате постановки торцевой пластины происходит уменьшение длины торцевой щели на величину к^, определяемую по формуле

Ь^р-ь/Опр-О. (7)

пр

ДИ-

шейки ротора под подшипник, м; /) диаметр проточки корпуса, мм; В аметр цилиндра корпуса насоса, мм.

Теоретическая подача МРВН (Кт ) будет определяться по формуле

К, = 120ти(1-26-2е)(яО-52), (8)

где т - эксцентриситет, м; Ь - толщина торцевой пластины, м; п - частота вращения ротора, с-1; е - технологический зазор, м; Ь - длина ротора, мм; В - диаметр цилиндра, мм; 5 - толщина пластины, мм; 2 - число пластин, шт.

О- диаметр цилиндра корпуса насоса, В - 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 7 - Схема модернизированного вакуумного насоса

Приведенные выше расчеты показали, что в МРВН длина торцевой щели сократится в 2,22 раза, а соответственно и торцевые перетекания газа.

В третьей главе «Методика экспериментальных исследований» разработана программа исследований, даны общая и частная методики исследований, описано оборудование 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 эксплуатации на подачу МРВН и установить его межремонтный ресурс в лабораторных и производственных 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 скорости перемещения трущихся поверхностей и, давления в зоне контакта Р и концентрации абразива С в условиях смазки С и без неё Б проведен многофакторный эксперимент.

Для определения скорости изнашивания применялась машина трения МТУ-01 (рис. 8). Для проведения многофакторного эксперимента были изготовлены образцы

«диск» в качестве подложки и «пластина» в качестве движущегося элемента по подложке (рис. 9). Метод испытаний основан на взаимном перемещении прижатых друг к другу с заданным усилием испытываемых образцов в среде смазочных материалов. Испытанию подвергались пары трения «чугун -текстолит» (ЧТ), «чугун - фторопласт» (ЧФ) и «текстолит - фторопласт» (ТФ). Эксперимент проводили таким образом, чтобы во всех сравниваемых вариантах путь трения был одинаков, что обеспечивалось снятием характеристики за 1000 циклов.

Для экспериментальных исследований в лаборатории кафедры «Технический сервис, стандартизация и метрология»

Рисунок 8 - Общий вид универсальной машины трения модели МТУ-01

Рисунок 9 - Образцы «диск» и «пластина»

СтГАУ был собран модернизированный стенд для испытания и обкатки вакуумных насосов на базе стенда 8719 ВНИИТИМЖ (рис. 10).

Ж Ш

1 -персональный компьютер; 2 - аналогово-цифровой преобразователь; 3 - вентиль бачка для масла; 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 - манометр; 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 испытаний 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 времени непрерывной работы регистрировали на лабораторной установке. Для этого подачу и температуру работы вакуумного насоса измеряли каждые 15 минут на протяжении 5 ч непрерывной работы, после чего он остывал до комнатной температуры, и цикл повторялся заново. Для моделирования величины торцевого зазора применялись пластины из алюминиевой фольги толщиной 0,1 мм. которые устанавливались между торцевой поверхностью ротора и боковой крышкой сначала в серийном насосе, а затем в модернизированном.

Для проведения производственных испытаний в процессе исследований использовался 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. Параллельно с этим контролировались затраты на эксплуатацию, ремонт и техническое обслуживание.

В четвертой главе «Результаты экспериментальных исследований и их анализ» изложены результаты проведенных экспериментальных исследований и дан их анализ.

Рисунок 11 - Корпус насоса с проточкой и ротор с торцевыми пластинами

0,045

0,04

0,035

§ 0,03

(X

0,025

я 0,02

к

1Г 0,015

и

0,01

0,005

— -г*

; 1

10 20 30 40 50 60 70 Нагрузка Т>и, Н

Рисунок 12 - Зависимость коэффициента трения в парах трения от нагрузки

Результаты экспериментальных исследований коэффициента трения выбранных пар трения в зависимости от давления в зоне контакта при скорости их относительного перемещения о = 13 м/с пред-,тф ставлены на рисунке 12. ,Чф Для таких пар трения, как ТФ, ЧФ и ■фф ФФ (фторопласт - фторопласт), наблю-■чт дается снижение коэффициента трения с ростом давления на всем диапазоне нагрузок от 10 до 70 Н. Одной из причин, объясняющих это, является го, что с увеличением давления в зоне контакта происходит упругая деформация образцов из фторопласта, из-за чего площадь фактического контакта в зоне трения увеличивается, а удельное давление и коэффициент трения снижаются.

После обработки экспериментальных данных многофакторного эксперимента были получены функции отклика параметра оптимизации (скорость изнашивания у), представляющие собой полином первой степени, уравнения регрессии которых в раскодированном виде имеют вид

у„г = 0,2074 - 0,0048« + 0.0008Р + 0,0032С + 0,0002»Р + 0,0006«С,

'ЧТС 7 ' 7 7 а ' 'а

уЧФС = 0,0647 - 0,0015» + 0.0006Р + 0,0013С + 0,0001иР + О.ОООЗиС,

1ЧФС "!тфс

у^ = 0,3604 - 0,0163« + 0,001 ЗР + 0,0051С, + 0,00045«/' + 0,00ЬС, у„„ = 0,1309 - 0,0046« + 0,001Р + 0,002С + 0,0002«Р + 0,0005«С, "

'ЧФБ ' ' 4 а 3 а

У™ = 0,0821 -0,0028« + 0,0006Р + 0.0016С + 0.0001«Р + 0,0003оС.

IТФБ ' ' ' ' а ' 5 а

(9) (10) (П) (12)

(13)

(14)

Концентрация абразива в работающих серийных насосах является относительно постоянной, поэтому при анализе полученных моделей скорости изнашивания пар тре-

ния концентрация абразива принята С - 5 %.

2 5,3 35 11.75 15

Скорость относительного перемещения у, м/с

Рисунок 13 — Скорость изнашивания пары трения ЧТ 12

Для всех исследуемых пар трения по полученным уравнениям построены графики зависимости скорости изнашивания у от давления Р и скорости относительного перемещения поверхностей и (рис. 13, 14). Из рисунков видно, что для пар трения ЧТ, ЧФ и ТФ прослеживается тенденция повышения скорости изнашивания с ростом скорости относительного перемещения контактирующих поверхностей и и давления Р. Однако следует отметить тот факт, что скорость изнашивания в парах трения с фторопластом значительно ниже, чем в паре трения ЧТ в 3-3,5 раза.

С.05 i -- »

I 5.25 Sí 11.75 15 3.a W 1175 15

С Vpmrn, сткшеплнппгвигаш Une Clwacn икятщщяп ll.m

Рисунок 14 - Скорости изнашивания пар трения ЧТ и ЧФ соответственно Относительную износостойкость пар трения представим через показатель

(15)

'У

где к - показатель относительной износостойкости; у i и -у — значения соответствующих уравнений при фиксированных значениях u, Р и С (ЛГ,, Х2 и Л'3), мкм/ч.

Показатели относительной износостойкости кп и кп выражают отношение скорости изнашивания пары трения ЧТ (9) соответственно к парам трения ЧФ и ТФ (10) и (11) со смазкой, а показатели кК и £46 выражают отношение скорости изнашивания пары трения ЧТ (12) соответственно к парам трешм ЧФ и ТФ (13) и (14) без смазки (рис. 15).

Износостойкость пары трения ЧТ ниже, чем износостойкость пар трения ТФ как со смазкой, так и без неё. Все полученные зависимости имеют нелинейный характер. Это связано с тем, что в парах трения с фторопластом увеличение скорости относительного перемещения сопрягаемых поверхностей дает больший прирост скорости изнашивания, чем в паре трения ЧТ.

Таким образом, проведенные исследования показали, что пары трения ЧФ и ТФ имеют меньшую скорость изнашивания по сравнению с парой трения ЧТ в среднем со смазкой в 2,3 и 2,9 раза соответственно и без смазки в 2 и 3,1 раза для всех рассматриваемых режимов. Поэтому в качестве материала для рабочей поверхности торцевой пластины предлагается использовать фторопласт-4.

Результаты выполненных исследований позволили установить потери производительности в течение одного цикла непрерывной работы МРВН, которые составили 0,2-0,4 м3/ч, что на 60...75 % меньше, чем в серийном насосе, и выявить закономерности снижения подачи по мере его наработки (рис. 16):

Кнм=-0,004,+ 42,1, (16)

о i 4 fi 3 10 П 14 16

Ско|х>с1ь шмиечый'ш пп^мещэди11 u r-

Рисунок 15 - Зависимость относительной износостойкости пар трешм ЧФ и ТФ от скорости относительного перемещения и и давления Р

%м=-0,005^ + 41,6.

(17)

У

Длительность работы модернизированного вакуумного насоса пластинчатого типа, ч

Рисунок 16 - Изменение подачи и температуры МРВН в зависимости от длительности его непрерывной работы

Длительность работы модернизированного вакуумного насоса пластинчатого типа, ч

Обработка данных уравнений позволила установить закономерности изменения подачи и получить ?Ср =2222,5 ч, среднее квадратичное отклонение межремонтного ресурса а = 100,8 ч и коэффициент вариации V = = 4,5 % (рис. 17).

Таким образом, модернизация вакуумного насоса пластинчатого типа позволяет снизить потери производительности в течение одного цикла непрерывной работы насоса, что увеличивает межремонтный ресурс в 2,1-2,8 раза в сравнении с насосом в серийном варианте исполнения.

Увеличение торцевого зазора между торцевой пластиной и боковой крышкой практически не оказывает влияния не только на подачу насоса, но также на его температуру и потребляемую им мощность (рис. 18, 19 и 20).

Увеличение торцевого зазора 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 торцевой щели, через которую возможны перетечки газа, у серийного насоса больше.

Экспериментальные исследования серийного насоса показали, что с увеличением зазора происходит повышение температуры, в

45

40

^_ 35

Е 30

25

А

го

5 15

с 10

5

0

0,4 0,6

Торцевой зазор, мм

Рисунок 18 - Зависимость объемной подачи от величины торцевого зазора

среднем 1,06 °С на 0,1 мм зазора. Такое интенсивное повышение при длительной, непрерывной эксплуатации способствует увеличению тепловых зазоров, что равноценно износу за период эксплуатации 250...300ч. Увеличение этого зазора в МРВН приводит к повышению температуры на 0,61 "С, что на 42,5 % ниже.

Мощность, потребляемая модернизированным насосом,, ниже, чем мощность, потребляемая серийным насосом, в среднем на 4-5 %.

Предварительные результаты экспериментальных исследований показали, что по снижению потребляемой мощности, рабочей температуре и повышению ресурса модернизированный насос в 1,5-2 раза эффективнее серийного.

Результаты производственных испытаний (рис. 21) позволили установить закономерность снижения подачи МРВН в зависимости от наработки:

.......

/ f...............

■ Серийный насос

Модернизированы» наеос-эазор между торцевой пластиной и боковой крышкой

Модернизированный насос -зазор между боковой крышкой и лопаткой

О 0,2 0,4 0,6 0,3

Торцевой зазор, мм Рису нок 19 - Зависимость температуры насоса от величины торцевого зазора

■ Серийный насос

Модернизированный насос - зазор между торцевой пластиной и боковой крышкой

Модернизированный насос - зазор между торцевой пластиной и лопаткой

0,2 0,4 0,6

Торцевой зазор, мм

Рисунок 20 - Влияние величины торцевого зазора на мощность привода насоса

х i

\

......1...... vi

"Г

■ Серийный нас ос

» Модернизированный насос

- - Минимально допустимое значение подачи

200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200 2-М 2600 Время работы, ч

Рисунок 21 - Зависимость подачи серийного и модернизированного насосов от времени эксплуатации

Гм = -0,0043*+ 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 последовательность операций.

Калькуляция всех расходов на эксплуатацию, обслуживание и ремонт МРВН, а также 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 наработки 3290 ч составили для МРВН 2190 рублей, что на 30 % меньше, чем у серийного насоса за тот же период.

В пятой главе «Технико-экономическая оценка результатов исследования» описана методика определения эффективности, приведены исходные данные и 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 эффективности. 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 составляют 39,186 тыс. руб., а с использованием на той же вакуумной установке модернизированного вакуумного насоса пластинчатого типа затраты составят 36,999 тыс. руб., что на 2,186 тыс. руб. меньше, при сроке окупаемости дополнительных капиталовложений 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 поверхности деталей, позволил определить их целевое назначение с точки зрения надежности обеспечения вакуума при реализации технологических процессов. Получена теоретическая 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 материала рабочих поверхностей деталей, контактирующих друг с другом, и уменьшения скорости их относительного перемещения. Модернизация серийного насоса по указан-

Рисунок 22 - Затраты на эксплуатацию и ремонт вакуумных насосов

ним направлениям позволила определить аналитическую зависимость межремонтного ресурса МРВН, величина которого составила 2400.. .2600 ч. Новизна предложенных технических решений по модернизации насоса подтверждена патентами РФ на изобретете и полезные модели № 48062, № 54107, Ли 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 соответственно.

4. Результаты исследований работы МРВН показали, что снижение его подачи при цикле работы длительностью 5 ч составляет 0,2-0,4 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 насоса составила 2550 ч, что выше в 2,87 раза по сравнению с серийным. По этим данным разработана общая схема ремонта МРВН со средней периодичностью ремонтов 2500 ч.

6. Модернизация конструкции исследуемого насоса обеспечивает снижение энергетических затрат на 4—5% и затрат на ремонт на 30 %, что позволило получить годовую 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 пластинчатого типа [Текст] / А. В. Захарин // Техника в сельском хозяйстве. - 2011. - № 6. -С. 16-18.

2. Захарин, А. В. Длительность непрерывной работы вакуумного насоса пластинчатого типа и его производительность [Текст] / А. Т. Лебедев, А. В. Захарин // Тракторы и сельхозмашины. — 2011. — № 10. - С. 36-38.

3. Захар™, А. В. Повышение долговечности вакуумного насоса пластинчатого типа [Текст] / А. Т. Лебедев, А. В. Захарин, А. С. Слюсарев // Механизация и электрификация сельского хозяйства. - 2007. - № 7. - С. 25-27.

4. Захарин, А. В. Конструктивные методы повышения долговечности пар трения 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.

4. Патенты на изобретения и полезные модели

14. Пат. 2333392 Российская Федерация, Р04 С 18/344 (2006.01). Ротационный пластинчатый 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, Р 04 С 18/344. Ротационный пластинчатый 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, Г 04 С 18/344 (2006.01). Ротационный пластинчатый 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 60x84 Чи. Гарнитура «Тайме». Бумага офсетная. Печать офсетная. Усл. печ. л. 1,0. Тираж 100. Заказ № 26.

Отпечатано а типографии издательско-полиграфического комплекса СтГАУ «АГРУС», г. Ставрополь, ул. Мира, 302.

Диссертация Захарина Антона Викторовича защищена на заседании диссертационного совета ДМ 220.001.01 в Азово-Черноморской государственной агроинженерной академии 14 марта 2012 года (решение № 51).

Ученый секретарь диссертационного совета ДМ.220.001.01,

тШ

Н.И.Шабанов

61 12-5/2286

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования Ставропольский государственный аграрный университет

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

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель кандидат технических наук, доцент ЛЕБЕДЕВ А.Т.

Зерноград - 2012

Содержание

Введение......................................................................................5

1 Состояние вопроса эффективности применения вакуумных насосов при реализации технологических процессов................ ................11

1.1 Обзор конструкции вакуумных насосов........................................11

1.2 Анализ возникновения износов, дефектов и повреждений основных деталей РВЫ и влияние их на эффективность работы.....................19

1.3 Анализ теоретических исследований по повышению эффективности работы РВН.........................................................................22

1.4 Обзор и анализ существующих технологий восстановления

деталей РВН........................................................................28

Цель и задачи исследования.........................................................30

2 Теоретические исследования эффективности работы РВН...............32

2.1 Анализ процесса работы вакуумного насоса.................................32

2.2 Теоретическая модель формирования отказов................................40

2.3 Теоретическая модель повышения ресурса РВН...........................45

2.4 Рекомендации по совершенствованию конструкции РВН на этапе эксплуатации........................................................................50

2.5 Подача модернизированного вакуумного насоса..........................53

Выводы по главе......................................................................56

3 Методика экспериментальных исследований ...............................57

3.1 Методика определения физико-механических свойств материалов ...58

3.1.1 Определение коэффициентов трения материалов в парах трения............58

3.1.2 Методика проведения многофакторного эксперимента по определению скорости изнашивания.....................................60

3.1.2.1 Определение наиболее значимых факторов влияющих на скорость изнашивания..................................................60

3.1.2.2 Методика проведения многофакторного эксперимента....60

3.1.2.3 Методика определения скорости изнашивания материалов......63

3.2 Методика проведения стендовых испытаний..............................67

3.2.1 Описание приборов экспериментальной установки................67

3.2.1.1 Тензодатчик вакуума...............................................69

3.2.1.2 Тензодатчик усилия................................................70

3.2.1.3 Датчик расхода воздуха............................................72

3.2.1.4 Датчик температуры................................................74

3.2.2 Подготовка серийного насоса РВН к его модернизации...........75

3.2.2.1 Методика определения геометрических параметров для модернизации насосов..................................................75

3.2.2.2 Последовательность технологических операций по модернизации РВН......................................................77

3.2.3 Методика исследования процесса работы РВН.....................80

3.2.4 Методика измерения производительности............................80

3.3 Методика обработки экспериментальных данных.........................82

4 Результаты экспериментальных исследований и их анализ.............87

4.1 Результаты исследований коэффициентов трения в парах трения вакуумного насоса................................................................87

4.2 Результаты проведения многофакторного эксперимента по определению скорости изнашивания в исследуемых парах трения.. ..88

4.3 Анализ работы насосов...........................................................98

4.3.1 Результаты исследования длительности непрерывной работы серийного насоса..,...........................................................98

4.3.2 Результаты исследования длительности непрерывной работы модернизированного насоса..............................................103

4.3.3 Результаты исследований подачи МРВН................................106

4.3.4 Результаты исследований влияния температуры деталей МРВН на его работу..................................................................109

4.3.5 Сравнительные испытания МРВН на потребляемую им

мощность......................................................................110

4.4 Результаты производственных испытаний.................................111

4.5 Разработка общей схемы ремонта МРВН...................................112

4.5.1 Результаты анализа износов боковой крышки и торцевой пластины МРВН.............................................................113

4.5.2 Общая схема ремонта МРВН..........................................115

4.6 Апробация и реализация предложенных решений при эксплуатации модернизированного насоса...................................................116

Выводы по главе.....................................................................117

5 Технико-экономическая оценка результатов исследования............119

5.1 Расчет затрат на содержание и эксплуатацию доильной установки с серийным насосом...............................................................120

5.2 Расчет затрат на содержание и эксплуатацию доильной установки с модернизированным насосом.................................................121

Выводы по главе.....................................................................125

Общие выводы и предложения......................................................126

Литература................................................................................128

Приложения...............................................................................138

Введение

Общая проблема повышения эффективности технологических процессов в промышленности и сельском хозяйстве заключается в необходимости снижения себестоимости продукции за счет рационального использования средств механизации, которыми обеспечены предприятия.

Развитие практически всех отраслей промышленности и сельского хозяйства связано с интенсивным использованием вакуумной техники для выполнения различных технологических процессов, их автоматизации и проведения физико-технических экспериментов и испытаний.

Вакуумные насосы и установки должны иметь высокую надежность и техническую готовность на протяжении всего периода эксплуатации. Коэффициент готовности должен быть не ниже 0,99, а в часы использования равен единице. Даже незначительное нарушение режима работы вакуумных установок приводит к снижению качества продукции, повышению расхода электроэнергии и нарушению технологических процессов (транспортировки газообразных, жидких и сыпучих веществ, откачки газов и жидкостей, сушки материалов и др.) [7, 35, 55].

Необходимость поддержания высокой технической готовности вакуумных насосов и установок, непродолжительный период резервного времени для восстановления работоспособности (в промежутках между работой) обусловливают повышенные требования к качеству ремонта вакуумных насосов, а также его специфику.

Для получения вакуума используются вакуумные насосы различных конструкций, среди которых наибольшее распространение получили ротационные вакуумные насосы пластинчатого типа (РВН) [5, 11, 25, 59, 94]. Это связано с тем, что они имеют преимущества по сравнению с другими насосами, такие как: простота конструкции, малые габаритные размеры, равномерность в работе, низкая стоимость. Среди наиболее значимых недостатков многие исследователи отмечают низкий межремонтный ресурс,

в среднем 800...900 часов и снижение производительности с увеличением времени непрерывной эксплуатации [4,86,89].

Рядом исследователей предпринимались попытки увеличения производительности и срока службы РВН за счет увеличения размеров ротора и частоты его вращения, изменения материала пар трения, числа лопаток и других факторов [70, 75]. Должного результата получено не было.

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

В настоящее время в эксплуатации находится достаточно большое количество насосов, требующих капитального ремонта. Существующие технологии ремонта РВН предусматривают восстановление их работоспособности традиционными методами, но не устраняют причин, вызывающих отказ насоса.

В связи с этим разработка мероприятий, обеспечивающих повышение эффективности работы вакуумных насосов пластинчатого типа за счет модернизации их конструкции при ремонте, представляет практический интерес и является актуальной.

Работа выполнена в соответствии с планом научно-исследовательских работ ФГБОУ ВПО «Ставропольский государственный аграрный университет» 2010-2015 гг, № 1.4.32 на выполнение НИР по теме: «Повышение долговечности машин и оборудования АПК путем их модернизации при ремонте и создания требуемых эксплуатационных свойств рабочих поверхностей деталей, контактирующих друг с другом».

Цель исследований - повышение эффективности работы РВН за счет модернизации его конструкции при ремонте.

Объект исследования - рабочие поверхности деталей основных пар трения ротационного пластинчатого вакуумного насоса, определяющие его межремонтный ресурс и эффективность работы.

Предмет исследования - закономерности процесса изнашивания рабочих поверхностей деталей основных пар трения вакуумных насосов.

Методы исследований предусматривали использование теории вероятности и надежности, математического анализа и системного подхода, обеспечивающих аналитическое описание эффективного использования вакуумных насосов, стандартных методик стендовых и эксплуатационных испытаний на современном оборудовании, а также методов планирования многофакторного эксперимента, математической статистики для обработки полученных результатов и частных методик исследования работоспособности насоса.

Диссертация состоит из пяти глав и посвящена повышению эффективности работы вакуумных насосов пластинчатого типа за счет модернизации конструкции при ремонте.

Первая глава «Состояние эффективности работы вакуумных насосов» содержит обзор существующих конструкций вакуумных насосов и выбор наиболее эффективные из них. В ней проведен анализ износов, дефектов и повреждений основных деталей РВЫ и влияние их на эффективность работы. Выполнен анализ теоретических исследований по повышению эффективности работы и дан обзор существующих технологий восстановления деталей РВН, сформулированы цель и задачи исследования.

Во второй главе «Теоретические исследования эффективности работы РВН» применен новый подход к рассмотрению РВН как сложной системы, низшим элементом которой является рабочая поверхность, получена теоретическая модель формирования отказа в результате износа пар трения РВН и модель повышения ресурса за счет изменения условий работы рабочих поверхностей деталей насоса. Проведен анализ процесса работы РВН, и создана теоретическая модель формирования отказов, рассмотрены закономерности изменения подачи по мере его наработки.

В третьей главе «Методика экспериментальных исследований» представлена общая программа исследований работы вакуумного насоса,

описаны экспериментальные установки и приведены частные методики исследования работоспособности насоса.

В четвертой главе «Результаты экспериментальных исследований и их анализ» представлены результаты экспериментальных исследований определения коэффициентов трения материалов деталей насоса, результаты многофакторного эксперимента определения скорости их изнашивания, характеристики процесса работы РВН до и после ремонта, результаты исследования насоса при различной степени износа, результаты исследования влияния износа деталей на температурные и энергетические показатели работы насоса и его подачу, представлена общая схема ремонта модернизированных ротационных вакуумных насосов (МРВН) и сравнительные затраты на их эксплуатацию и ремонт.

В пятой главе «Технико-экономическая эффективность результатов исследования» представлены основные показатели работы МРВН и даны экономические расчеты эффективности использования предлагаемой технологии ремонта вакуумных насосов.

В конце диссертации сделаны общие выводы и сформулированы предложения по применению усовершенствованной технологии ремонта РВН.

Научная новизна:

- разработана теоретическая модель формирования параметрического 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;

- обоснован способ повышения ресурса за счет выбора материала и условий контактирования рабочих поверхностей деталей насоса, и определены аналитические зависимости межремонтных ресурсов серийных и модернизированных насосов;

- установлены аналитические зависимости влияния длительности

непрерывной работы на межремонтный ресурс серийных и модернизированных РВН.

Практическая значимость работы. Предложена модернизация конструкции вакуумного насоса пластинчатого типа при его ремонте, обеспечивающая повышение долговечности, стабилизацию вакуума и снижение затрат на привод. Новизна предложенного технического решения подтверждена патентами РФ на изобретение и полезные модели: №48062, №54107, №2333392.

Разработана технологическая документация и маршрутно-технологические карты на изготовление оснастки и приспособлений, которая позволяет выполнять все технологические операции по модернизации вакуумных насосов при их ремонте.

Апробация работы. Основные результаты исследований доложены на: Международной выставке-конгрессе «Высокие технологии. Инновации. Инвестиции» г. Санкт-Петербург, 2007 - 2008 гг.; Международной научно-практической конференции «Производство и ремонт машин» г. Ставрополь, 2005 г.; Ш-ей Российской научно-практической конференции «Физико-технические проблемы создания новых технологий в агропромышленном комплексе» г. Ставрополь, 2005 г.; 69-ой Научно-практической конференции: «Совершенствование технологий и технических средств в АПК» г. Ставрополь, 2005 г.; Международных специализированных агропромышленных выставках «Агроуниверсал» г. Ставрополь, 2005 - 2011 гг.; Международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы научно-технического прогресса в АПК» г. Ставрополь, 2006 г.; Выставке -конкурсе «Инновации года» г. Ставрополь, 2009 г.; Всероссийской научно-производственной конференции «Новые направления в решении проблем АПК на основе современных ресурсосберегающих инновационных технологий» г. Владикавказ, 2010 г.; Всероссийском конкурсе «Старт» г. Ставрополь, 2010 г.; У1-ой Российской научно-практической конференции: «Физико-технические проблемы создания новых технологий в АПК» г.

Ставрополь, 2011 г. Победитель программы Министерства образования и науки Российской Федерации «Участник молодежного научно -инновационного конкурса» г. Ставрополь, 2010 г.

Реализация результатов исследования. По результатам выполненных исследований разработан комплект технологической документации по модернизации РВН, который 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 вакуумный насос УВУ-60/45Б-0,75, который введен в эксплуатацию на молочно-товарной ферме СПКк «Пригородный» Шпаковского района; модернизированный по результатам настоящего исследования стенд для испытания и обкатки вакуумных насосов 8719 ВНИИТИМЖ внедрен в учебный процесс ФГБОУ ВПО СтГАУ факультета механизации при проведении лабораторно-практических занятий.

На защиту выносятся следующие положения:

- теоретическая модель формирования параметрического отказа РВН, в иерархической схеме которого выделены рабочие 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.

Публикации результатов исследований.

По результатам исследований было опубликовано 16 печатных работ, в их числе 4 публикации в изданиях рекомендованных ВАК РФ, 2 патента на полезную модель и 1 патент на изобретение.

1 Состояние вопроса эффективности применения вакуумных насосов при реализации технологических процессов

1.1 Обзор конструкций вакуумных насосов

Для создания вакуума в технологических процессах применяются разнообразные типы вакуумных насосов, кла�