Исследование возможности повышения эксплуатационных характеристик одновинтовых насосов

Размещено на http://www.allbest.ru/

ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЗМОЖНОСТИ ПОВЫШЕНИЯ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ОДНОВИНТОВЫХ НАСОСОВ

Любимова Александра Сергеевна, аспирант кафедры технологии, конструирования и экспертизы изделий»,

Корнеев Алексей Алексеевич, кандидат технических наук, доцент кафедры технологии, конструирования и экспертизы изделий,

ФГБОУ ВПО «Российский государственный университет туризма и сервиса», г. Москва

В статье рассмотрены основные направления повышения эксплуатационных характеристик одновинтовых насосов. Показано, что повышенный момент страгивания и кручения в паре «обойма - винт» подлежит устранению путем применения таких новых прогрессивных технологий, как модифицирование эластомеров методами, способными придать им качества высокой стойкости к истиранию на основе эффекта избирательного переноса, а также формирования на поверхности винта защитного, препятствующего абразивному и водородному изнашиванию композиционного покрытия, полученного с помощью плазменного напыления.

Ключевые слова: одновинтовой насос, эффект избирательного переноса, плазменное напыление.

OPPORTUNITY RESEARCH OF HELICAL ROTOR PUMP OPERATIONAL CHARACTERISTICS INCREASE

Lyubimova A.S., Korneyev A.A.

The article considers the main trends in helical rotor pump operational characteristics increase. The article shows that excessive failure and torsional load within the pair “fixed block - helix” needs elimination by using such progressive technologies as elastomer modification with the help of the methods capable to make them highly wear resistant based on the wear-free transfer effect as well as formation of protective composite coating that prevents abrasive and hydrogen wear and that was derived with the help of wear-free transfer effect.

Key words: helical rotor pump, wear-free transfer effect, wear-free transfer effect.

Одновинтовые насосы широко используются при перекачке различных жидкостей. Они почти не перемешивают перекачиваемую жидкость, обладают возможностью создавать высокие давления (10-25 кг/см²), имеют хорошую производительность (3-1000 м³/сутки) и большую высоту всасывания [1]. Широкому использованию одновинтовых насосов также способствуют его следующие преимущества по сравнению с другими насосами объемного типа (плунжерные, поршневые и др.):

- минимум движущихся деталей;

- отсутствие клапанов;

- работоспособность при загрязнении жидкостей абразивными частицами;

- простота в изготовлении и эксплуатации;

- небольшие габариты;

- экономичность.

Одновинтовые насосы наиболее распространенных конструкций имеют следующие основные части: корпус, обойму, винт, универсальный шарнир Кардана-Гука или эксцентриковую муфту, приводной вал, подшипники и уплотнения.

Всасывающую часть насоса в большинстве случаев располагают между приводным валом и винтом, а нагнетательную часть - у свободного конца винта.

Для повышения эксплуатационных характеристик одновинтовых насосов необходимо повысить его механический КПД. Он оценивает потери энергии на преодоление трения винта в обойме, вала в сальниках и подшипниках, а также на преодоление трения вала и шарнира (или муфты) о жидкость.

, (1)

где N - мощность электродвигателя, кВт; N_м.п. - мощность, расходуемая на механические потери, кВт.

Наиболее значимые потери энергии будут происходить при взаимодействии поверхности вала с обоймой. Мощность, расходуемая на трение вала по обойме, определяется по следующей формуле:

, (2)

где D - диаметр винта, м; n - частота вращения винта, об/мин; F_тр. - сила от полусухого трения поверхности винта по поверхности обоймы под действием центробежных сил и сила реакции гребней обоймы, действующих по оси винта.

Для уменьшения потерь необходимо снизить силу трения.

Основываясь на работе Крылова А.В. [3], можно записать следующую формулу для определения F_тр.:

, (3)

где R - радиус сечения винта, м; L - длина винта, м; е - эксцентриситет винта, м; г - удельный вес материала винта, Н/м³; g - ускорение свободного падения, м/с²; b - половина ширины прямоугольника поверхности контакта цилиндра и плоскости, м;l - длина цилиндра, м; С и В - постоянные для резины; h - средняя толщина слоя резины, м; д - величина натяга, мм; f - коэффициент трения.

Анализ формулы 3 показывает, что повысить эксплуатационные характеристики одновинтового насоса можно следующими способами:

замена или модифицирование материала обоймы;

изменение состава защитного покрытия винта;

изменение конструкции насоса.

Ниже будут рассмотрены варианты решения задачи по первому и второму пунктам.

Во многих странах интенсивно проводятся исследования в области модификации свойств полиуретановых эластомеров путем совмещения их с другими полимерами и наполнителями. Способы получения таких материалов можно представить следующими направлениями:

- одновременное образование двух или более полимерных систем с образованием взаимопроникающих сеток;

- образование полиуретанового эластомера с последующей прививкой второго или нескольких полимеров к полиуретановой матрице;

- совмещение термопластичных полиуретанов с другими термопластами путем компаундирования и последующей переработки известными промышленными методами.

Одним из наиболее перспективных путей получения полимерных материалов с заданными свойствами является создание блок сополимеров, макромолекулы которых представляют собой «гибриды» различных по химическому строению или составу молекул. Развитию этого направления уделяется серьезное внимание, т.к. оно позволяет получать технически ценные материалы невысокой стоимости, а также существенно экономить энергетические ресурсы.

Существуют антифрикционные полиуретаны, работающие в режиме избирательного переноса, защищенные авторскими свидетельствами №472557 и №759560. В них в процессе трения реализуется диффузионно-вакансионный механизм деформации, протекающий без накопления дефектов, свойственных усталостным процессам. Образование сервовитной медной пленки обеспечивается в условиях трения металла по металлополимеру.

Многолетние исследования различных ученых и результаты эксплуатации изделий показали, что для реализации режима избирательного переноса необходимо компоненты антифрикционной смеси вводить в полиуретан на стадии образования предполимера, т.е. когда макромолекулы полиэфиризоцианата способны изменить свое конформационное положение и адсорбируют частицы антифрикционного наполнителя в узлах доменов с последующим образованием пространственно сшитой трехмерной структуры под действием структурообразователей.

Технология получения антифрикционных полиуретановых эластичных материалов, работающих при трении в режиме избирательного переноса, заключается в следующем

1 стадия - образование макродиизоцианата строения I из полиэфира и диизоцианата.

2 стадия - модификация макродиизоцианата строения I олигокремнийдиодом.

3 стадия - введение антифрикционной добавки в предполимер при температуре 905⁰С в условиях интенсивного перемешивания (Re > 2500). Компонентами антифрикционных добавок являются медь, нитрид бора, графит и дисульфид молибдена. Содержание каждого компонента определяется комплексом эксплуатационных параметров пары трения (нагрузка, скорость вращения, температура, среда, шероховатость поверхности контртела).

4 стадия - сшивка цепей уретанового предполимера, молекулы которого имеют концевые изоцианатные группы, диамином.

Для улучшения трибологических характеристик трущихся поверхностей можно применять различные покрытия. Наиболее перспективным методом получения покрытий является напыление.

Напыление развилось в особую технологию поверхностной обработки материалов, отличающуюся большим своеобразием и областями применения.

Преимущество технологии напыления следующие.

Возможность нанесения покрытий на изделия, изготовленные практически из любого материала. Напылением можно наносить покрытия на изделия, изготовленные не только из металла, но и из стекла, фаянса и фарфора, органических (включая дерево, ткань, бумагу, картон) и многих других материалов. Этим преимуществом не обладает ни один из известных способов поверхностной обработки, из которых одни пригодны только для металлов, а другие, хотя и обладают многими ценными преимуществами, применимы не для всех материалов.

Возможность напыления разных материалов с помощью одного и того же оборудования.

Отсутствие ограничений по размеру обрабатываемых изделий. Покрытия можно напылить как на большую площадь, так и на ограниченные участки больших изделий. При нанесении же металлопокрытия электролитическим осаждением, погружением в расплав или диффузионным насыщением (азотирование, цементация и др.) возможности обработки изделия ограничены размерами ванны либо печи. Напыление приносит большие экономические выгоды в случае неприемлемости других способов упрочнения, например, когда необходимо нанести покрытия на часть большого изделия.

Возможность применения для увеличения размеров детали (восстановление и ремонт изношенных деталей машин). Во избежание выбраковки изделия, при механической обработке которого срезан излишний металл, или при реставрации деталей с большим износом, напыление, как и наплавку, можно использовать как способ восстановления размеров деталей. Напылением можно наносить слой толщиной в несколько миллиметров, тогда как при электролитическом хромировании, например, осуществляемого с целью повышения износостойкости, толщина слоя составляет 6-300 мкм.

Относительная простота конструкции оборудования для напыления, его малая масса, несложность эксплуатации оборудования для напыления, возможность быстро и легко перемещаться. В комплекте оборудования для газопламенного напыления достаточно иметь компрессор, который можно также использовать для предварительной пескоструйной обработки поверхности изделия, горелку для напыления и газовые баллоны. Если же имеется источник энергии, то напыление можно проводить электрическими методами.

Возможность широкого выбора материалов для напыления. Для напыления можно использовать различные металлы, сплавы, соединение металлов с оксидами, пластмассами, различными химическими соединениями и их смесями. Возможно также нанесение многослойных покрытий разнородными материалами, что обеспечивает получение покрытий со специальными свойствами.

Небольшая деформация изделий под влиянием напыления. Многие способы поверхностной обработки изделия требуют нагрева до высокой температуры всего изделия или значительной его части, что часто становится причиной его деформации.

Возможность использования напыления для изготовления деталей машин различной формы. Напыление производят на поверхность формы-оправки, которую после окончания процесса удаляют: остается оболочка из напыленного материала.

Простота технологических операций напыления, относительная небольшая трудоемкость, высокая производительность нанесения покрытия.

Не требуется специальной дорогостоящей обработки (очистки) продуктов, загрязняющих окружающую среду, в отличие от средств очистки и нейтрализации при гальванических видах обработки.

Из всех видов напыления наиболее производительным, технологичным и эффективным является плазменное напыление [4].

Метод плазменного напыления обладает уникальными технологическими возможностями (температура струи от 2 до 10 тысяч градусов, скорость струи от 200 до 5000 м/с, рабочая среда регулируемая (окислительная, нейтральная, восстановительная)). Этим методом наносятся покрытия с высокими физико-механическими и эксплуатационными характеристиками. Меняя технологические параметры, можно изменять свойства покрытий в нужном направлении (прочность, твердость, износостойкость, пористость). Толщина покрытий при плазменном напылении может изменяться от 0,5 мкм до 40 мм. Производительность метода достигает 25 кг/час. Прочность сцепления с подложкой до 30 МПа. Возможность регулирования температуры и скорости плазменной струи путем выбора формы и диаметра сопла и режима напыления расширяет диапазон напыляемых материалов: металлы, окислы, карбиды, нитриды, керамика и пр.

На основании анализа работы одновинтового насоса, его конструктивных особенностей, причин, приводящих к износу, анализа научных источников, обобщения практического опыта промышленных предприятий по снижению износа однородных и неоднородных трущихся пар механизмов, можно сделать следующий вывод.

Существенные недостатки одновинтового насоса (повышенный момент страгивания и кручения в паре «обойма - винт») подлежат устранению путем применения новых прогрессивных технологий:

модифицирование эластомеров методами, способными придать им качества высокой стойкости к истиранию на основе эффекта избирательного переноса;

формирование на поверхности винта защитного, препятствующего абразивному и водородному изнашиванию композиционного покрытия, полученного с помощью плазменного напыления.

эластомер винт композиционные покрытие

Литература

1. ГОСТ 18863-89 «Насосы одновинтовые. Основные параметры».

2. Балденко Д.Ф., Балденко Ф.Д., Гноевых А.Н. Одновинтовые гидравлические машины. Т. 1. Одновинтовые насосы. М., 2005. -488 c.

3. Крылов А.В. Одновинтовые насосы. М.: Гостоптехиздат, 1962. 145 с.

4. Пузряков А.Ф. Теоретические основы технологии плазменного напыления. М.: МГТУ имени Н.Э. Баумана, 2008. 360 с.

Размещено на Allbest.ru