Диференціальний розчинонасос із вертикальним проточним плунжером

Размещено на http://www.allbest.ru//

Размещено на http://www.allbest.ru//

Міністерство освіти і науки України

Кременчуцький національний університет

імені Михайла Остроградського

05.05.02 - Машини для виробництва будівельних матеріалів і конструкцій

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Диференціальний розчинонасос із вертикальним проточним плунжером

Васильєв Олексій Сергійович

Кременчук - 2010

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Полтавському національному технічному університеті імені Юрія Кондратюка Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник доктор технічних наук, професор

Онищенко Олександр Григорович

Полтавський національний технічний університет імені Юрія Кондратюка Міністерства освіти і науки України, завідувач кафедри будівельних машин та обладнання.

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор

Назаренко Іван Іванович,

Київський національний університет будівництва

та архітектури Міністерства освіти і науки України, завідувач кафедри машин і обладнання технологічних процесів;

кандидат технічних наук, доцент

Задорожний Андрій Олексійович,

Харківський державний технічний університет будівництва та архітектури Міністерства освіти і науки України, доцент кафедри механізації будівельних процесів.

Захист відбудеться 25 січня 2011 року о 10.00 на засіданні спеціалізованої вченої ради К 45.052.03 Кременчуцького національного університету імені Михайла Остроградського за адресою: 39600, м. Кременчук, вул. Першотравнева, 20 (зала засідань - аудиторія 1211).

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Кременчуцького національного університету імені Михайла Остроградського за адресою:

39600, м. Кременчук, вул. Першотравнева, 20.

Автореферат розісланий 15 грудня 2010 року.

Учений секретар спеціалізованої вченої ради,

канд. техн. наук, доцент Ю.С. Саленко

Размещено на http://www.allbest.ru//

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. У будівельній промисловості при спорудженні будівель як промислового, так і цивільного призначення до чверті загальної трудомісткості становлять роботи, пов'язані з використанням будівельних розчинів: штукатурні роботи, улаштування наливних підлог, замонолічування стиків будівельних елементів тощо. Ці роботи проводяться з використанням штукатурних станцій і агрегатів, головним вузлом яких є розчинонасоси. Однією із важливих для виконання вказаних будівельних робіт є проблема забезпечення достатнього ресурсу роботи обладнання через вибір раціональних форм та режимів роботи тертьових деталей розчинонасосів та конструкційних матеріалів, із яких вони виготовляються.

Вирішення даної проблеми полягає у дослідженні взаємодії робочих поверхонь розчинонасосів із перекачуваним середовищем, що в кінцевому результаті відкриває резерви підвищення ефективності даного виду будівельної техніки за рахунок збільшення міжремонтного циклу роботи, вдосконалення конструкцій розчинонасосів, покращення умов роботи обслуговуючого персоналу.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Результати досліджень цієї дисертаційної роботи були використані в наукових дослідженнях Полтавського національного технічного університету імені Юрія Кондратюка за держбюджетними науково-дослідницькими роботами №62/04 «Розроблення та впровадження у будівельне виробництво малоопераційної комплексно-механізованої технології виконання опоряджувальних робіт» (номер державної реєстрації 0104 U 000318) та № 67/07 «Створення пересувного малогабаритного штукатурного агрегату нового покоління з розробленням комплексно-механізованої технології оштукатурювання» (номер державної реєстрації 0107 U 000938), затвердженими Міністерством освіти і науки України, й відповідають напряму наукових досліджень кафедри будівельних машин і обладнання.

Мета і завдання дослідження. Метою роботи є дослідження умов взаємодії перекачуваних розчинних сумішей із робочим органом вертикально-плунжерного розчинонасоса із розробкою методів розрахунку та створенням подібного класу машин із підвищеним ресурсом роботи.

Для досягнення означеної мети в дисертаційній роботі були сформульовані наступні задачі:

виконати аналіз стану проблеми та визначити шляхи підвищення ресурсу роботи насосної частини вертикально-плунжерного диференціального розчинонасоса;

провести теоретичні дослідження на основі обґрунтування математичної моделі роботи шарнірно-важільного механізму привода проточного плунжера для визначення кінематичних характеристик робочого органа розчинонасоса, що враховують процеси гідроабразивної взаємодії робочих поверхонь із перекачуваним середовищем;

теоретично обґрунтувати абразивні та гідроабразивні властивості розчинних сумішей, що визначають та характеризують взаємодію потоку розчину з деталями насосної частини та ущільнювальними вузлами колонки розчинонасоса;

дослідити геометричні параметри манжетних ущільнень насосної колонки, їх конструктивних і технологічних характеристик, які забезпечать збільшення ресурсу роботи колонки;

виконати експериментальні дослідження зміни у часі абразивних властивостей будівельних розчинів при багатократному стендовому перекачуванні; розчинонасос плунжер будівельний розчин

обґрунтувати матеріали пари тертя, яка найбільш стійка до спрацювання в середовищі з великим вмістом незакріплених абразивних частинок піску;

вдосконалити конструкцію вертикально-плунжерного розчинонасоса зі збільшеним ресурсом роботи насосної колонки;

провести стендові ресурсні та виробничі випробування досліджуваного розчинонасоса з метою перевірки запропонованих технічних рішень із збільшення міжремонтного циклу обладнання;

впровадити результати досліджень у будівельне виробництво й навчальний процес.

Об'єкт дослідження - диференціальний розчинонасос із вертикальним проточним плунжером, який застосовується для транспортування будівельних розчинів різної рухомості до місць нанесення на поверхні, що оброблюються.

Предмет дослідження - робочі процеси диференціального розчинонасоса з вертикальним проточним плунжером, які відбуваються під впливом абразивних та гідроабразивних властивостей середовища, що транспортується.

Методи дослідження ґрунтуються на основних класичних положеннях механіки машин, загальноприйнятої механіці та теорії зношування матеріалів, математичних методах обробки та аналізу результатів досліджень.

Для оброблення вихідних даних використовувалися прийоми порівняльного та багатофакторного аналізу, методи логічного узагальнення та математичного моделювання (за допомогою ЕОМ). Це забезпечило наукову обґрунтованість відповідних позицій щодо визначення оптимальних параметрів робочого процесу диференціального розчинонасоса із проточним плунжером.

Наукова новизна одержаних результатів полягає в тому, що:

встановлено аналітичні залежності, що описують рух робочого органу з урахуванням впливу важільного механізму із забезпеченням зменшення бічних зусиль на плунжері розчинонасоса;

отримано комплексну аналітичну залежність масового зносу робочих поверхонь насосної колонки розчинонасоса від основних чинників, якими є: швидкість частинок, характеристики міцності матеріалу, сила тертя;

дістало подальшого розвитку математичне моделювання зміни конструктивних розмірів проточного плунжера та манжетного ущільнення, зумовлених їх зношуванням, що дозволило встановити вплив цих параметрів на коефіцієнт корисної дії розчинонасоса.

Обґрунтованість і достовірність наукових положень, висновків і рекомендацій забезпечена завдяки використанню законів класичної механіки та математичного моделювання. Прикладною складовою обґрунтованості наукових положень проведеного дослідження є фактичний матеріал, накопичений у результаті тривалого періоду експлуатації розчинонасосів у будівельному виробництві.

Практичне значення одержаних результатів полягає в наступному:

розроблена методика розрахунку основних параметрів диференціального розчинонасоса із вертикальним проточним плунжером;

вдосконалена методика проведення ресурсних випробувань як матеріалів пар тертя, так і різних конструкцій манжетних ущільнень розчинонасосів;

запропонована нова конструкція манжетних ущільнень з підвищеним ресурсом роботи;

впроваджений у будівельне виробництво диференціальний розчинонасос із вертикальним проточним плунжером і манжетними ущільненнями оригінальної конструкції, який має збільшений ресурс роботи;

виявлені напрямки забезпечення ефективності експлуатації диференціального розчинонасоса із вертикальним проточним плунжером та приведені практичні рекомендації;

результати дисертаційної роботи використані при створенні диференціальних розчинонасосів, що розробляються в Полтавському національному технічному університеті імені Юрія Кондратюка, у навчальному процесі при підготовці фахівців зі спеціальності «Підйомно-транспортні, будівельні, дорожні, меліоративні машини та обладнання», а також у курсовому та дипломному проектуванні.

Особистий внесок здобувача. Дисертаційна робота є закінченою науковою працею, у якій вирішена проблема підвищення ефективності робочих процесів розчинонасоса шляхом удосконалення його конструкції й параметрів. Положення та рекомендації, відображені в тексті дисертації й подані до захисту, отримані автором особисто, а саме:

визначені шляхи підвищення ресурсу роботи насосної частини вертикально-плунжерного диференціального розчинонасоса;

математично описана модель важільного механізму привода розчинонасоса для визначення переміщення, швидкості, прискорення плунжера в складі насосної колонки;

визначена залежність складових, що обумовлюють величину зношування робочих поверхонь диференціальних розчинонасосів під дією незакріплених абразивних частинок піску, та факторів впливу на процес зношування;

обґрунтована математична модель деформації манжети складного профілю;

встановлені причини прискореного зношування циліндро-поршневої групи в залежності від форми частинок піску;

запропонована конструкція та виготовлено лабораторну установку для дослідження зносостійкості пар тертя для попереднього вибору матеріалів;

в результаті багатофакторного експерименту встановлена функціональна залежність питомого показника зносу для гільзи та для манжетного ущільнення;

на основі проведених експериментальних досліджень запропоновані матеріали для пари тертя, яка найбільш стійка до спрацювання в середовищі з великим вмістом незакріплених абразивних частинок піску;

запропонована конструкція стенда для натурних ресурсних випробувань розчинонасосів в умовах, наближених до виробничих, за допомогою якого доведено, що нові матеріали та зміна конструкції манжетного ущільнення значно підвищують ресурс роботи насосної частини розчинонасоса;

вдосконалено конструкцію вертикально-плунжерного розчинонасоса зі збільшеним ресурсом роботи насосної колонки.

Висновки та основні положення дисертації мають самостійний характер. З наукових праць, опублікованих у співавторстві, в дисертаційній роботі використані лише ті положення, що належать здобувачеві особисто.

У наукових працях, опублікованих у співавторстві, здобувачем виконано: у роботі [1] - встановлені причини прискореного зношування циліндро-поршневої групи в залежності від форми частинок піску, наведені результати дослідження зміни абразивних властивостей піску; у роботі [2] - описані будова та робота установки для ресурсних випробувань тертьових деталей у середовищі будівельних розчинів в умовах, максимально наближених до виробничих; у роботі [3] - запропонована конструкція стенду для натурних ресурсних випробувань розчинонасосів в умовах, наближених до виробничих, пояснюється принцип його роботи; у роботі [4] - за результатами аналізу експериментальних досліджень установлені фактори впливу на ресурс роботи ущільнення насосної колонки розчинонасосів і визначені шляхи вдосконалення ущільнення за допомогою зміни конструкції та матеріалу, з якого виготовлено манжету; у роботі [5] - математично описана модель для визначення переміщення, швидкості, прискорення плунжера в складі насосної колонки; у роботі [7] - визначено залежності складових від властивостей матеріалу манжетних ущільнень, що обумовлюють величину зношування робочих поверхонь диференційних розчинонасосів під дією незакріплених абразивних частинок піску, та факторів впливу на процес; у роботі [8] - проведено дослідження впливу зношування манжетних ущільнень на значення об'ємного ККД розчинонасоса при різних рухомостях розчинної суміші.

Апробація результатів дисертації. Основні положення дисертації доповідались та були схвалені на: наукових конференціях науково-педагогічних працівників Полтавського національного технічного університету імені Юрія Кондратюка (2000 - 2009 рр.); Всеукраїнській науково-технічній конференції «Транспорт. Дорожні та будівельні машини» (м. Кременчук, 2001, 2006 рр.), Міжнародній науково-технічній конференції «Наукові основи створення високоефективних землерийно-транспортних машин» (м. Харків, 2004 р.); Міжнародній науково-технічній конференції «Вібрації в техніці та технологіях» (м. Полтава, 2005 р.); Міжнародній науково-технічній конференції «Створення та експлуатація нових машин і обладнання для виробництва будівельних матеріалів і конструкцій» (м. Полтава, 2008 р.); Всеукраїнському науково-практичному семінарі «Розроблення та впровадження у будівельне виробництво нових машин і обладнання для приготування та транспортування по трубопроводах будівельних розчинів» (м. Полтава, 2009 р.). Диференціальний розчинонасос із вертикальним проточним плунжером було представлено на VI Національній виставці високих технологій та конкурентоспроможної продукції «Укртехнологія - 2007» (м. Київ, 5-7 грудня 2007 р.); IX Міжрегіональній виставці «Полтава будівельна - 2008» (м. Полтава, 27-29 лютого 2008 р.); загальнодержавній виставковій акції «Барвиста Україна» (м. Полтава, 20-23 серпня 2008 р.); XV міжрегіональній будівельній виставці «ЕнергоДім» (м. Полтава, 4-6 вересня 2008 р.).

Публікації. На тему дисертаційної роботи опубліковано 12 робіт у фахових виданнях, у тому числі 7 статей - у збірниках наукових праць, 1 - у науково-технічному журналі. За результатами проведених досліджень також одержані 4 деклараційних патенти України на корисні моделі.

Структура і обсяг дисертації. Дисертація складається зі вступу, чотирьох розділів, висновків, переліку використаних літературних джерел із 196 найменувань і 8 додатків на 74 сторінках. Обсяг дисертації складає 126 сторінок машинописного тексту. Вона містить 35 рисунків і 13 таблиць.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтована актуальність теми дисертації, визначені мета дослідження, завдання та методи їх розв'язання, охарактеризовані наукова новизна й практичне значення результатів роботи, подана інформація про їх апробацію та впровадження у практику.

У першому розділі «Стан проблеми, мета та задачі дослідження» проаналізовані принципові схеми обладнання, найбільш придатного для перекачування будівельних розчинів. На основі аналізу запропоновані до вдосконалення декілька типів конструкцій цих машин, які розглядаються у взаємозв'язку із абразивними властивостями перекачуваних будівельних розчинів.

Під час аналізу цих матеріалів було враховано досвід колективів проектно-конструкторських, науково-дослідних та навчальних інститутів: Київського національного технічного університету будівництва та архітектури, Харківського державного технічного університету будівництва та архітектури, Придніпровської державної академії будівництва та архітектури, Московського університету будівництва та архітектури. Значний досвід із розроблення методологічних підходів до вивчення абразивних властивостей будівельних розчинів, дослідження зносостійкості робочих поверхонь насосів, створення ефективних технологічних схем та засобів транспортування накопичений і детально висвітлений у працях відомих учених й інженерів: М.І. Альошина, М.А. Бабічева, В.Л. Баладінського, М.С. Болотських, С.С. Добронравова, В.М. Євстифєєва, І.А. Ємельянової, Г.Б. Івянського, І.В. Крагельського, В.С. Ловейкіна, О.Г. Маслова, І.І. Назаренка, О.Г. Онищенка, Є.П. Парфенова, Л.І. Сердюка, В.Й. Сівка, В.У. Устьянцева, М.М. Хрущова та ін.

Проведений аналіз конструкцій існуючих розчинонасосів, у тому числі й вертикальних однопоршневих диференціальної дії, показав, що розчинонасоси, конструкції яких були запропоновані в останні роки, у цілому задовольняють вимогам, що висуваються до них у зв'язку з особливостями сучасного будівельного виробництва. Але, як і раніше, залишається актуальною проблема, пов'язана з підвищенням ресурсу роботи розчинонасосів, їхньої надійності й безаварійності.

На основі вивчення й аналізу літературних джерел намічені шляхи підвищення надійності розчинонасосів - технологічний і конструктивний. Технологічний полягає в покращенні якості виготовлення деталей циліндропоршневої групи, клапанних і ущільнювальних вузлів, деталей привода, а також використанні зносостійких матеріалів для виготовлення цих деталей, застосуванні сучасних методів термічної й хіміко-термічної обробки. Конструктивний - передбачає створення такої конструкції розчинонасоса, котра дозволила б забезпечити найбільш сприятливий режим подачі розчину при зниженні робочих, динамічних і контактних навантажень на деталі й вузли розчинонасоса, а також зниження негативного впливу абразивних часток, що входять до складу суміші, яка транспортується, на деталі циліндропоршневої групи й ущільнюючих вузлів.

На цій основі запропоновані для дослідження вертикальний диференціальний розчинонасос із проточним плунжером, а також конструкція манжетного ущільнення, що подовжує ресурс роботи циліндро-поршневої групи насоса в умовах абразивного і гідроабразивного спрацювання.

У другому розділі «Теоретичні дослідження робочих процесів розчинонасоса з підвищеною зносостійкістю насосної частини» обґрунтовано використання конструкції диференціального розчинонасоса (рис. 1, а) з вертикальним проточним плунжером і шарнірно-важільним механічним приводом як обладнання, що має резерви збільшення ресурсу роботи насосної частини за умови транспортування будівельних розчинних сумішей.

Розчинонасос працює таким чином. За допомогою кривошипно-шатунного механізму та куліси 3 обертальний рух від електродвигуна через редуктор перетворюється у зворотно-поступальний рух плунжера 2. При русі плунжера вгору всмоктувальний кульковий клапан 11 відкритий і розчин через усмоктувальний патрубок 14 прямує в нижню частину всмоктувальної камери 15. У цей час нагнітальний кульковий клапан 12 закритий і розчин із верхньої частини нагнітальної камери 16 витискається в нагнітальний трубопровід 17.

Рис. 1. Диференціальний розчинонасос із вертикальним проточним плунжером: а - конструктивна схема;

б - розрахункова схема шарнірно-важільного привода:

1 - вертикальна колонка; 2 - плунжер; 3 - куліса; 4 - шатун; 5 - стійка; 6 - кривошип; 7 - редуктор; 8 - електродвигун; 9 - клинопасова передача; 10 - повітряний компенсатор тиску; 11 - усмоктувальний клапан; 12 - нагнітальний клапан; 13 - ущільнення; 14 - усмоктувальний патрубок; 15 - усмоктувальний клапан; 16 - нагнітальна камера; 17 - нагнітальний трубопровід

При русі плунжера 2 вниз усмоктувальний кульковий клапан 11 закривається і розчин із нижньої частини колонки через відкритий нагнітальний кульковий клапан 12 надходить у верхню нагнітальну камеру колонки. Завдяки тому, що всмоктувальний клапан 11 закритий, а внутрішній об'єм усмоктувальної камери 15 при русі плунжера вниз зменшується за рахунок занурення в колонку частини плунжера, залишки розчину витискаються з колонки в нагнітальний трубопровід. При співвідношенні площі поперечного перерізу нижньої та верхньої частин плунжера як 21 швидкість подачі розчину під час руху плунжера вниз буде такою ж, як при русі вгору.

Досліджені математичні залежності руху ланок привода розчинонасоса (рис. 1, б) від узагальненої координати - кута повороту кривошипа - дають можливість теоретично обґрунтувати та експериментально дослідити робочі процеси насоса, а також явища, які відбуваються в насосній частині, а саме: пульсацію тиску подачі, об'ємний ККД і вплив цих факторів на ресурс роботи обладнання в цілому.

З точки зору можливостей вдосконалення привода розчинонасоса, а також для вивчення характеру взаємодії абразивних частинок піску з робочими поверхнями насосної частини найбільшу цікавість являють собою рівняння швидкості проточного плунжера:

;

де b1, b2 - сталі коефіцієнти; - кутова швидкість кривошипа; t - час.

Швидкість плунжера визначає кінематичну характеристику відносної контактної взаємодії часток абразива розчинної суміші з поверхнею гільзи і з достатнім ступенем точності для дослідження цієї взаємодії може бути прийнята (рис. 2).

Серед видів зношування проточного плунжера та манжетного ущільнення особливе місце займає випадок руйнування робочих поверхонь потоком більш твердих частинок піску, тому була запропонована модель зношування робочих поверхонь розчинонасосів під дією рухомих незакріплених абразивних часток піску. При зіштовхуванні під певним кутом із поверхнею гільзи, що поступово руйнується, тверда частинка піску занурюється в неї та проходить при цьому деяку відстань по поверхні. Ковзаючи, вона послідовно деформує декілька одиничних ділянок поверхні. Якщо під одиничною ділянкою вважати пляму контакту частинки з гільзою, що зношується, то кожний удар частинки буде приводити в цілому до декількох актів взаємодії (але на різних ділянках). При цьому можливі випадки пружної (рис. 2, а) та пластичної (рис. 2, б) взаємодії.

У якості характеристики зношування прийнята безрозмірна величина J відношення маси зношеного матеріалу до маси частинок, що викликали цей знос.

Для пружної взаємодії маємо:

,

у випадку пластичного контакту зношування становить:

,

де s, r - відповідно щільність матеріалу гільзи (манжети) та абразивних часток; 0 - швидкість абразивних часток; k - коефіцієнт пропорційності; f - коефіцієнт тертя ковзання частинки по матеріалу, який зношується; 0 - вихідна міцність матеріалу; E, - модуль пружності та коефіцієнт Пуассона матеріалу, який зношується; t - коефіцієнт втоми матеріалу;  = h/hmax - безрозмірне занурення;  = y/hmax - безрозмірне ковзання; h - величина занурення часток; * - безрозмірний шлях ковзання частинки від моменту дотику до припинення ковзання; * - безрозмірне занурення, при якому припиняється ковзання; e0 - вихідна руйнуюча деформація матеріалу.

Аналіз залежностей (2) та (3) дозволив встановити ступінь впливу параметрів процесу зношування проточного плунжера на величину зносу: швидкість частинок 0 впливає на зношування сильніше, ніж за квадратичним законом; радіус частинки суттєво не впливає на величину зносу у випадку, коли цих частинок багато; збільшення тертя ковзання призводить до різкого підвищення зносу; поліпшення характеристик, що впливають на міцність (0, e0, t), спричиняє суттєве зменшення зносу; підвищення модуля пружності E призводить до збільшення зношування, а підвищення міцності матеріалу cs (при пластичному контакті) - до зменшення зношування.

Рис. 3. Схема квазістатичного лінійно-пружного напружено-деформованого стану манжетного ущільнення

Для покращення умов роботи манжетного ущільнення запропонована кільцева проточка (рис. 3), котра підвищує гнучкість піскобрійної кромки, а відповідно й знижує абразивний вплив перекачуваного середовища на гільзу розчинонасоса. З метою визначення раціональних технічних характеристик манжетних ущільнень розроблена модель, яка відображає деформований стан манжети та надає можливість визначити напруження, що виникають у процесі роботи ущільнення насосної колонки (рис. 4).



Рис. 4. Розподіл параметрів напружень U (z, r) по перерізу ABCDA манжетного ущільнення для різних варіантів кільцевої проточки

Для визначення складових напружень U отримаємо наступну систему інтегральних рівнянь Нав'є:

де ij(*) - функціональна матриця, елементи якої визначаються формою границі Г в точці * на ; - довільна точка області , що досліджується; R і r - радіальна координата точки * і х відповідно; Z і z - апліката точки і х відповідно; U*ij, p*ij - тензор фундаментальних розв'язків рівняння Нав'є й відповідний їм тензор поверхневих напруг; pr, pz - відповідно нормальна і подовжня складові вектора поверхневого навантаження; k - коефіцієнт тертя сталі по гумі; - радіальні переміщення, - поздовжні переміщення; Г - контур ABCDA.

Розв'язок рівнянь (4) дає можливість встановити залежність між формою кільцевої проточки та гнучкістю піскобрійної кромки манжетного ущільнення, яке повинно забезпечувати герметичність та довговічність. Чисельне розв'язання отриманих залежностей проведено за допомогою ЕОМ і представлено на рисунку 4.

У третьому розділі «Експериментальні дослідження робочих процесів диференціального розчинонасоса з вертикальним проточним плунжером» подані результати експериментальних досліджень для підтвердження достовірності запропонованих теоретичних залежностей, кількісної оцінки абразивних характеристик розчинних сумішей, визначення та обґрунтування раціональних конструктивних параметрів ущільнюючих манжетних вузлів розчинонасосів.

З метою спрощення випробувань матеріалів і покрить на зносостійкість в умовах, наближених до виробничих, розроблена та виготовлена спеціальна лабораторна установка, схема якої подана на рисунку 5.

У результаті багатофакторного експерименту, проведеного з використанням лабораторної установки, встановлена функціональна залежність питомого показника зносу j, г/(м2год) для плунжера:

jп = 486,3 - 1,713 n - 0,8925 L - 0,1178 F - 6,473 HRC +

+ 2,5·10-3 n·L + 1,718·10-2 n·HRC + 1,328·10-3 n·F +

+ 5,938·10-3 L·HRC + 9,219·10-4 L·F -1,463·10-3 HRC·F

та для манжетного ущільнення:

jM = 131,6 - 0,7083 L - 0,423 n - 0,873 ShA - 0,03725 F +

+ 8,007510-4nL + 3,2310-3nShA + 3,202510-4nF +

+ 4,89510-3LShA + 6,48510-4LF - 8,332510-4ShAF,

де n - частота подвійних ходів, дв.х./хв; L - величина ходу, мм; НRC - міцність (твердість) металевого зразка; ShA - твердість гумового зразка по Шору; F - сила притискання зразка, Н.

Рис. 5. Установка для випробувань абразивної зносостійкості пар тертя:

1 - рама; 2 - бак з розчином; 3 - направляюча; 4, 5 - пара тертя; 6 - притискач; 7 - пружина з регулятором притискання; 8 - тяга; 9 - повзун; 10 - шатун; 11 - кривошип; 12 - електродвигун; 13 - клинопасова передача; 14 - редуктор; 15 - гайка, що змінює навантаження

Аналізуючи діаграми, побудовані за залежністю при змінних величинах параметрів, які до них входять (рис. 6), слід відзначити, що головним чином на величину зношування плунжера впливає його твердість та величина ходу. Кількість подвійних ходів та сила притискання є менш значущими.



Рис. 6. Залежність питомого показника зносу jп:

а - від твердості зразка HRC та сили притискання F (за умови n = 120 дв.х./хв, L = 120 мм); б - від частоти подвійних ходів n та довжини ходу L (за умови HRC = 50, F = 500 мм)

Аналізуючи діаграми, побудовані за залежністю при змінних величинах параметрів, які до них входять (рис. 7), слід відзначити, що визначальним фактором зношування манжети є її твердість по Шору.

Рис. 7. Залежність питомого показника зносу jМ:

а - від твердості зразка по Шору ShA та сили притискання F (за умови n = 120 дв.х./хв, L = 120 мм); б - від частоти подвійних ходів n та довжини ходу L (за умови ShA = 55, F = 500 мм)

За допомогою експериментальної установки були проведені ресурсні випробування для прогнозування пари «плунжер - манжетне ущільнення», яка б мала найкращі показники по ресурсу за умови роботи у вільному абразиві. При виборі матеріалу ущільнення, який підходить для умов роботи розчинонасоса, були враховані рекомендації для використання манжетних ущільнень залежно від умов експлуатації. Найбільшу стійкість показали поліуретанові зразки марки СКУ ПФЛ-100.

Рис. 8. Результати дослідження масового спрацювання полімерних матеріалів:

1 - гума 51-3029; 2 - гума РС 1-1106-050; 3 - поліуретан СКУ ПФЛ-100

Установлено, що при терті гуми по металевій поверхні найбільш зносостійкою є гума, що має високу твердість, але в свою чергу при роботі у вільному абразивному середовищі більш стійкими є м'які типи гуми. Ураховуючи теоретичні передумови, наведені вище, для забезпечення необхідної умови експлуатації пари тертя «тверда гума - м'яка піскобрійна кромка» було запропоновано кільцеве проточування на манжеті (див. рис. 3). Для завершального етапу досліджень (рис. 9) були виготовлені манжети трьох типів: перша - із твердої гуми, друга - із цієї ж гуми із проточуванням, третя - з поліуретану із проточуванням.

Рис. 9. Криві зношування манжетних ущільнень:

1 - гума; 2 - гума з проточкою; 3 - поліуретан з проточкою

Паралельно з дослідженням зразків матеріалів манжетних ущільнень було проведено випробування зразків матеріалів плунжера (рис. 10).

Рис. 10. Результати дослідження масового спрацювання сталевих зразків:

1 - 40Х13 із термообробленням СВЧ; 2 - 40Х із термообробленням СВЧ; 3 - 38ХМЮА із азотуванням; 4 - 45 із термообробленням СВЧ та хромуванням; 5 - 20 із боруванням

Для порівняння були взяті зразки таких матеріалів, які попередньо зміцнювались із застосуванням різних технологій: сталь 20 з наступною цементацією і загартуванням, сталь 45 із загартуванням СВЧ, сталь 20 з наступним боруванням, сталь 45 із загартуванням СВЧ і тонкошаровим хромуванням, сталь 38 ХМЮА з наступним газовим азотуванням, сталь 40X із загартуванням СBЧ, сталь 40Х13 із загартуванням СВЧ.

При цьому найменше спрацювання, а відповідно, найвищу стійкість в абразивному середовищі показали зразки із сталі 40Х13 із термообробкою СВЧ.

Рис. 11. Діаграма залежності об'ємного ККД розчинонасоса з проточним

плунжером від часу напрацювання манжетного ущільнення

запропонованої конструкції та манжет що використовувались раніше

Кожна будівельна машина характеризується певними технічними показниками, які залежать від виду обладнання та конструктивних особливостей. Одним з найважливіших технічних показників роботи розчинонасосів є об'ємний ККД. У результаті експериментальних досліджень за допомогою лабораторного стенда було визначено, що зношування ущільнень насосної частини розчинонасоса негативно впливає на величину об'ємного ККД розчинонасоса (рис. 11). Величина зменшення ККД на розчинах підвищеної рухомості (12 см) досягає близько 20%.

У розділі 4 «Впровадження результатів дослідження у виробничу практику» обґрунтовано методику визначення основних параметрів диференціальних розчинонасосів із проточним плунжером і наведено технічну характеристику створеного дослідного зразка (рис. 12).

У ході випробувань розробленого розчинонасоса на будівельному майданчику в складі штукатурної станції його конструкція забезпечила ефективність перекачування будівельних вапняно- і цементно-піщаних розчинів різної рухомості трубопроводами та механізованого їх нанесення на оброблювані поверхні при проведенні штукатурних робіт і утворенні самовирівнювальних підлог. Робота розчинонасоса отримала позитивну оцінку будівельників.

Рис. 12. Зовнішній вигляд диференціального розчинонасоса з проточним плунжером

ВИСНОВКИ

1. Аналіз літературних джерел та виробничого досвіду використання розчинонасосів показав, що існуючі конструкції цього обладнання характеризуються недостатнім ресурсом тертьових деталей циліндро-поршневої групи, що призводить до низької ефективності їх застосування. Практична відсутність наукових досліджень, а також науково обґрунтованих методик розрахунку ресурсу безвідмовної роботи пар тертя розчинонасосів (гільза - манжетне ущільнення) з урахуванням особливостей їх роботи обмежує можливості подальшого підвищення ефективності роботи створюваних вертикально-плунжерних розчинонасосів.

2. Розроблена математична модель роботи важільного механізму привода робочого органа розчинонасоса. За її допомогою визначені кінематичні характеристики з метою забезпечення раціональних режимів роботи насоса, а саме: величина ходу проточного плунжера - 75 мм, частота ходу - 120 дв.х./хв. Застосування у якості привода шарнірно-важільного механізму ІІІ класу значно знижує бокові зусилля на тертьових поверхнях (гільза - манжетне ущільнення).

3. Теоретично обґрунтовані абразивні та гідроабразивні властивості розчинних сумішей, що визначають характер взаємодії розчину з деталями насосної частини розчинонасоса. Встановлено, що швидкість частинок 0 впливає на зношування в степені, більшій від двох ( при пружному контакті та при пластичному), тобто сильніше, ніж за квадратичним законом. Радіус частинки не впливає на величину зносу у випадку, коли цих частинок багато. Але форма частинки піску впливає на тиск, з яким вона занурюється (підвищення тиску збільшує зношування). Збільшення тертя призводить до різкого підвищення зносу. Поліпшення характеристик, що впливають на міцність (0, e0, t), спричиняє суттєве зменшення зносу. Підвищення модуля пружності Е абразивних часток призводить до збільшення зношування при 0 = const, а підвищення міцності матеріалу c s (при пластичному контакті) - до зменшення зношування.

4. Розроблені теоретичні методи розрахунку геометричних параметрів манжетних ущільнень насосної колонки, їх конструктивних і технологічних характеристик. Шляхом чисельного розв'язання крайових задач, проведеного методом квадратичних формул із фрагментарно-постійною апроксимацією густин потенціалів, одержані математичні залежності гнучкості робочої кромки манжетного ущільнення від геометричних параметрів робочого контуру, а саме від розмірів і розташування проточки. Доведено, що підвищення гнучкості кромки манжети шляхом утворення кільцевої виточки за умови підвищеної твердості матеріалу манжети в цілому забезпечує збільшення ресурсу роботи насосної колонки.

5. За результатами експериментальних досліджень зміни абразивних властивостей будівельних розчинів при багатократному перекачуванні встановлено, що умови роботи тертьових деталей циліндропоршневої групи, котрі перебувають у контакті з будівельним розчином, що перекачується, при стендових випробуваннях більш жорсткі, ніж при експлуатації розчинонасосів на будівельному майданчику. Ці факти враховані нами при ресурсних дослідженнях робочих процесів розчинонасосів.

6. Шляхом експериментальних ресурсних випробувань визначені матеріали пари тертя (гільза - манжетне ущільнення), які найбільш стійкі до спрацювання в середовищі з великим вмістом незакріплених абразивних частинок піску (будівельному розчині). Найвищі показники стійкості одержані для загартованої сталі 40Х13 при роботі в парі з поліуретановою манжетою з твердістю по Шору 85 одиниць та кільцевою проточкою.

7. На основі результатів проведених наукових досліджень було вдосконалено диференціальний розчинонасос із вертикальним проточним плунжером. Використання цього обладнання дає можливість комплексно механізувати процес проведення опоряджувальних робіт шляхом безкомпресорного соплування на будівельні конструкції.

8. Проведені ресурсні випробування диференціального розчинонасоса з вертикальним проточним плунжером в лабораторних та виробничих умовах підтвердили вірність запропонованих технічних рішень щодо збільшення міжремонтного циклу обладнання. Застосування науково обґрунтованих конструкцій і матеріалів пари тертя (гільза - манжетне ущільнення) та шарнірно-важільного привода оригінальної конструкції дозволяє підвищити продуктивність опоряджувальних робіт і подовжити ресурс роботи на 50 - 60 %.

9. Результати дисертаційного дослідження впроваджені у будівельне виробництво. Річний економічний ефект у цінах 2009 року становить 8410,5 грн. на один розчинонасос.

Розроблені методики розрахунку обладнання використовуються в навчальному процесі кафедри будівельних машин та обладнання при підготовці фахівців за спеціальністю «Підйомно-транспортні, будівельні, дорожні та меліоративні машини та обладнання».

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ АВТОРОМ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Онищенко А.Г. Изменение абразивных свойств строительных растворов при многократном перекачивании растворонасосами / А.Г. Онищенко, А.С. Васильев, В.У. Устьянцев // Научные труды Кременчугского государственного политехнического университета (проблемы создания новых машин и технологий). - Кременчуг: КГПУ, 2001. - Вып. 1. - С. 474 - 475.

2. Васильєв А.В. Установка для випробувань абразивної зносостійкості пар тертя / А.В. Васильєв, О.С. Васильєв, В.І. Небаба // Збірник наукових праць (галузеве машинобудування, будівництво). - Полтава: ПДТУ, 2002. - Вип. 8. - С. 11-14.

3. Онищенко О.Г. Стенд для ресурсних випробувань розчинонасосів / О.Г. Онищенко, О.С. Васильєв // Вестник Харьковского национального автомобильно-дорожного университета. - Харків, 2004. - Вип. 27. - С. 154-156.

4. Онищенко О.Г. Дослідження роботи ущільнення насосної колонки диференціальних розчинонасосів / О.Г. Онищенко, О.С. Васильєв // Збірник наукових праць (галузеве машинобудування, будівництво). - Полтава: ПолтНТУ, 2007. - Вип. 20. - С. 15-19.

5. Онищенко О.Г. Моделювання роботи приводу диференціального розчинонасосу з проточним плунжером / О.Г. Онищенко, О.С. Васильєв // Вісник Кременчуцького державного політехнічного університету імені Михайла Остроградського. - Кременчук: КДПУ, 2008. - Вып. 2/2008 (49). Ч. 1- С. 76-78.

6. Васильєв О.С. Математична модель деформації манжети складного профілю / О.С. Васильєв // Східно-Європейський журнал передових технологій. - Харків, 2008. - Вип. 5/5 (35) 2008. - С. 41-44.

7. Онищенко О.Г. Модель зношування робочих поверхонь розчинонасосів під дією рухомих незакріплених абразивних частинок піску / О.Г. Онищенко, О.С. Васильєв // Збірник наукових праць (галузеве машинобудування, будівництво). - Полтава: ПолтНТУ, 2009. - Вип. 23, Т. 1. - С. 38 - 44.

8. Онищенко О.Г. Дослідження впливу витоків через манжетні ущільнення на ефективність роботи диференціальних розчинонасосів / О.Г. Онищенко, О.С. Васильєв, С.Б. Бейгул // Збірник наукових праць (галузеве машинобудування, будівництво). - Полтава: ПолтНТУ, 2010. - Вип. 1 (26). - С. 11 - 17.

9. Пат. 31818 Україна, МПК F04B 51/00. Стенд ресурсних випробувань розчинонасосів / Онищенко О.Г., Васильєв О.С.; заявник і патентовласник ПолтНТУ ім. Ю. Кондратюка. - № u 2007 1328; заявл. 29.11.07; опубл. 25.04.08, Бюл. №8.

10. Пат. 32576 Україна, МПК G01N 9/00. Пристрій для дослідження зносостійкості пар тертя / Онищенко О.Г., Васильєв О.С.; заявник і патентовласник ПолтНТУ ім. Ю. Кондратюка. - № u200713842; заявл. 10.12.07; опубл. 26.05.08, Бюл. №10.

11. Пат. 32746 Україна, МПК F04B 53/00. Манжета / Онищенко О.Г., Васильєв О.С.; заявник і патентовласник ПолтНТУ ім. Ю. Кондратюка. - № u 2008 01049; заявл. 29.01.08; опубл. 26.05.08, Бюл. №10.

12. Пат. 33703 Україна, МПК F04B 9/00. Насос із проточним плунжером / Онищенко О.Г., Васильєв О.С.; заявник і патентовласник ПолтНТУ ім. Ю. Кондратюка. - № u 2008 02012; заявл. 18.02.08; опубл. 10.07.08, Бюл. №13.

АНОТАЦІЯ

Васильєв О.С. Диференціальний розчинонасос із вертикальним проточним плунжером. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук зі спеціальності 05.05.02. - Машини для виробництва будівельних матеріалів і конструкцій. - Полтавський національний технічний університет імені Юрія Кондратюка, Полтава, 2010.

Дисертаційна робота присвячена питанням підвищення ефективності робочих процесів розчинонасосів на основі дослідження умов взаємодії перекачуваних розчинних сумішей із їх робочими органами та розроблення шляхів підвищення ресурсу роботи обладнання в цілому.

Установлено, що довговічність роботи вузла плунжер - ущільнення робочої камери розчинонасоса значною мірою залежить не тільки від комплексної дії агресивного та абразивного середовища, а й від кінематичних характеристик рухомих частин та навантажень у розчинонасосі, що призводить до зниження терміну його служби. Отримано дані про комплексну залежність масового зносу робочих поверхонь насосної колонки розчинонасоса від основних впливаючих чинників. Вони використані при розробленні удосконаленої методики прогнозування терміну роботи обладнання. Запропоновано новий підхід щодо ресурсних випробувань розчинонасосів, який дозволяє відмовитись від традиційних складних і трудомістких досліджень на зносостійкість.

Ключові слова: ресурс роботи розчинонасоса, зносостійкість, абразивне та гідроабразивне зношування, манжетне ущільнення.

АННОТАЦИЯ

Васильев А.С. Дифференциальный растворонасос с вертикальным проточным плунжером. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.05.02 - Машины для производства строительных материалов и конструкций. - Полтавский национальный технический университет имени Юрия Кондратюка, Полтава, 2010.

Целью работы является повышение эффективности рабочих процессов растворонасосов на основе исследования условий взаимодействия перекачиваемых растворных смесей с рабочими органами и разработка путей повышения ресурса работы оборудования в целом.

Путем достижения поставленной цели является создание растворонасоса, отвечающего современным условиям транспортирования и нанесения строительных растворов на обрабатываемые поверхности путем бескомпрессорного соплования при отделочных роботах.

Научная новизна работы состоит в экспериментально обоснованном положении, что долговечность работы узла плунжер - уплотнение рабочей камеры растворонасоса в значительной мере зависит не только от комплексного действия агрессивной и абразивной среды, а и от кинематических характеристик подвижных частей и нагрузок в растворонасосе, снижающих срок службы. Получена комплексная зависимость массового износа рабочих поверхностей насосной колонки растворонасоса от основных влияющих факторов. Она использована при разработке усовершенствованной методики прогнозирования срока работы оборудования. Предложен новый подход к ресурсным испытаниям растворонасосов, позволяющий отказаться от традиционных сложных и трудоемких исследований на износоустойчивость.

Практическое значение работы состоит в создании и внедрении в строительное производство дифференциального растворонасоса с вертикальным проточным плунжером, имеющего увеличенный ресурс работы. При этом отработана методика проведения ресурсных испытаний как материалов пар трения, так и конструкций уплотнений растворонасосов. Установлены закономерности работы манжетных уплотнений, на основе которых предложена новая конструкция манжеты с повышенным ресурсом работы. Разработаны рекомендации относительно обеспечения эффективности эксплуатации растворонасоса с проточным плунжером.

Разработана математическая модель работы рычажного механизма привода рабочего органа растворонасоса. С ее помощью определены кинематические характеристики, обеспечивающие рациональные режимы работы, а именно: величина хода проточного плунжера - 75 мм, частота хода - 120 дв.х./мин. Применение в качестве привода растворонасоса рычажного механизма ІІІ класса значительно снижает боковые усилия на трущихся поверхностях (гильза - манжетное уплотнение).

Теоретически обоснованы и экспериментально исследованы абразивные и гидроабразивные свойства растворных смесей, определяющие характер взаимодействия раствора с деталями насосной части растворонасоса. Установлено, что скорость частичек влияет на изнашивание в степени, больше двух, т.е. сильнее, чем по квадратичному закону. Радиус частички не влияет на величину износа в случае, когда этих частичек много. Но форма частички песка влияет на давление, с которым она погружается (повышение давления увеличивает изнашивание). Увеличение трения приводит к резкому повышению износа. Улучшение характеристик, влияющих на прочность, служит причиной существенного снижения износа. Повышение модуля упругости абразивных частиц приводит к увеличению изнашивания при постоянной прочности материала, а повышение прочности материала - к уменьшению изнашивания.

Разработаны теоретические основы расчета геометрических параметров манжетных уплотнений насосной колонки, их конструктивных и технологических характеристик. Путем численного решения краевых задач получены математические зависимости гибкости рабочей кромки манжетного уплотнения от геометрических параметров рабочего контура, а именно от размеров и расположения проточки. Доказано, что повышение гибкости кромки манжеты путем создания кольцевой выточки при условии повышенной твердости материала манжеты в целом обеспечивает увеличение ресурса работы насосной колонки.

Путем экспериментальных ресурсных испытаний определены материалы пары трения (гильза - манжетное уплотнение), которая наиболее стойка к срабатыванию в среде с большим содержанием незакрепленных абразивных частичек песка (строительном растворе). Наивысшие показатели стойкости получены для закаленной стали 40Х13 при работе в паре с полиуретановой манжетой с твердостью по Шору 85 единиц и кольцевой проточкой.

На основе результатов проведенных научных исследований создана и внедрена в строительное производство новая конструкция дифференциального растворонасоса с вертикальным проточным плунжером. Использование данного оборудования предоставляет возможность комплексно механизировать процесс проведения отделочных работ путем бескомпрессорного соплования на строительные конструкции. Применение научно обоснованных пар трения (гильза -манжетное уплотнение) и рычажного привода оригинальной конструкции позволяет повысить производительность отделочных работ в 2,5  3 раза сравнительно с ручным оштукатуриванием и продлить ресурс работы на 50 - 60%.

Результаты производственных испытаний подтвердили эффективность предложенных конструктивных решений.

Ключевые слова: ресурс работы растворонасоса, износостойкость, абразивный и гидроабразивный износ, манжетное уплотнение.

ANNOTATION

Vasilyev O.S. Differential mortar pump with vertical flowing plunger. - Manuscript.

The dissertation for scientific degree of Candidate of Technical Sciences, speciality 05.05.02. - Machines for building materials and structure production.

National Technical University of Poltava named in the honour of Yuri Kondratyuk, Poltava, 2010.

The dissertation is devoted to increasing of efficiency of work processes of the mortar pumps on base of study of conditions of interaction swapped mortars with work organs and development of ways of increasing of resource of no-failure operation of equipment as a whole.

It is stated that longevity of functioning the node a plunger-compaction a worker of camera mortar pump in significant measure depends from complex action aggressive not only and abrasive ambience, but and from kinematic features of rolling parts and loads in mortar pump, which brings a lifetime about reduction. Complex dependency of mass wear-out of workers of surfaces of pumping row mortar pump is received from the main affecting factors. It is used at development of advanced strategy of forecasting of period of no-failure operation of equipment. New approach is offered for longevity tests a mortar pump, which allows to abandon to traditional complex and labour-consuming studies on endurance.

The keywords: resource operation of mortar pump, wear capability, abrasive and hydroabrasive wear-out, cup-type seal.Размещено на Allbest.ru

...