И.А. Емельянова, д. т. н., профессор,

Харьковский национальный университет строительства и архитектуры

 Н.В. Шаповал, ст. преподаватель,

Полтавский национальный технический университет
имени Юрия Кондратюка

анализ эфФективной рАботы растворонасосов с комбинированным компенсатором пульсации давления и комбинированным компенсатором увеличенного объёма

Проанализировано работу растворонасосов с комбинированным компенсатором пульсации давления и комбинированным компенсатором увеличенного объёма на основании определения давлений подачи.

Ключевые слова: комбинированный компенсатор, давление подачи, пульсация.

Постановка проблемы. Определение рациональных параметров компенсаторов однопоршневых растворонасосов для обеспечения умеренной пульсации при перекачивании строительных растворов.

Анализ последних исследований и выделение  неразрешённых раньше частей общей проблемы. Известен однопоршневой растворонасос с комбинированным компенсатором пульсации давления [1].

Рабочий орган данного растворонасоса приводится в действие с помощью электрического привода и кривошипно-шатунного механизма. Через это закон движения рабочего органа имеет форму, близкую к синусоидальной, что предопределяет изменение скорости на протяжении всего цикла, и в частности, такта нагнетания. Это усложняет равномерную подачу раствора в течение цикла работы растворонасоса.

Формулирование целей статьи. Определение изменения давлений подачи на протяжении полного цикла работы растворонасосов и сравнительный анализ эффективного срабатывания компенсаторов пульсации давления.

Изложение основного материала. Для решения проблемы снижения пульсации на базе однопоршневого растворонасоса с комбинированным компенсатором пульсации давления [1] предложена новая конструктивная схема растворонасоса с комбинированным компенсатором увеличенного объёма рис.1.

Рис. 2. Конструктивная схема однопоршневого растворонасоса с комбинированным компенсатором увеличенного объёма:
1 – электродвигатель; 2 – клиноременная передача;
3 – одноступенчатый цилиндрический редуктор;
4 – кривошипный вал; 5 – кривошипно-шатунный механизм;
6 – всасывающая камера; 7 – цилиндрическая вставка;
8 – нагнетательная рабочая камера; 9, 10 – патрубки всасывающий и нагнетательный; 11, 12 – шаровые клапаны всасывающий и нагнетательный подпружиненный; 13 – рабочий цилиндр; 14 – поршень; 15 – ползун; 16 – штоковая полость;
17 – цилиндрическая камера;18 – замкнутая камера; 19 – штуцер узла подкачки воздуха; 20 – ниппель; 21 – направляющий стержень; 22 – поплавок-ограничитель; 23, 24 – канальные патрубки; 25, 26 – пара колёс.

В таблице 1 представлена техническая характеристика растворонасоса с комбинированным компенсатором увеличенного объёма.

Таблица.1 Техническая характеристика растворонасоса с комбинированным компенсатором увеличенного объёма.

Параметры

Значения

Диаметр поршня, мм

90

Ход поршня, мм

80

Количество двойных ходов поршня, 1/мин

153

Подача, м3/час

3,8

Объём свободного воздуха в свободной камере 17, дм3

26

Объём в камере 18, дм3

3,0

Максимальное давление воздуха в камере 18 при неработающем насосе, МПа

0,7

Максимальный суммарный объём воздуха в камерах 17 і 18, приведённый к нормальным условиям, дм3

56

Габаритные размеры, мм:

длинна

ширина

высота

 

820

640

840

масса, кг

260,5

 

Одной из важных конструктивных особенностей данного растворонасоса есть компенсатор эффективного действия, который обеспечивает сниженные пульсации подачи, особенно малоподвижных растворов.

В данной статье представлено аналитическое сравнение характеристик работы растворонасосов, а именно давлений подачи с учётом конструктивных параметров компенсаторов растворонасосов.

На основании закона движения поршня на протяжении полного цикла работы растворонасоса (при ) анализируется изменение давления подачи раствора

                   при       

         при

где  – радиус кривошипа;  – длинна шатуна;  – величина смещения оси кривошипа по высоте относительно оси поршня.  – угол вращения кривошипного вала.

В соответствии с законом Бойля-Мариотта

                                         , откуда ,                    

где ,  – соответственно объём и давление воздуха или раствора в период времени от начала нагнетания до максимального сжатия в компенсаторе;  – объём воздуха при нормальных условиях (  МПа) в компенсаторе.

Поскольку , то с учётом зависимости рассматривается изменение давления подачи раствора при следующих условиях

                                                           

,

где  – объём сжатого воздуха в компенсаторе при , , , – давление, при котором находится воздух в начале цикла работы растворонасоса, МПа;  – ход поршня в такте нагнетания.

С учётом  определённого хода поршня для такта нагнетания и всасывания раствора при указанных условиях давления    определяется, соответственно зависимостями

  , 

.

Таким образом, пользуясь формулами , можно определить изменение давления подачи раствора  на протяжении цикла работы растворонасоса, если известны параметры , , , ,  и задаётся величина начального давления .

Расчётные данные для определения пульсации давления приведены в таблице 2.

Таблица 2. Расчётные данные для определения пульсации давления

,МПа

, МПа

, МПа

, МПа

,%

Растворонасос с комбинированным компенсатором пульсации давления

1,0

1,145

0,145

1,073

13,5

2,0

2,600

0,600

2,300

26,0

3,0

4,500

1,500

3,750

40,0

4,0

6,700

2,700

5,350

50,3

Растворонасос с комбинированным компенсатором увеличенного объёма

1,0

1,130

0,130

1,065

12,2

2,0

2,300

0,200

2,150

14,0

3,0

3,600

0,600

3,300

18,2

4,0

5,180

1,180

4,590

25,7

 

 

а)                                                               б)

Рис. 2. Графики зависимости давления от угла поворота вала кривошипа:
а) растворонасоса с комбинированным компенсатором пульсации давления; б) растворонасоса с комбинированным компенсатором увеличенного объёма при: 1 –  МПа; 2 –   МПа; 3 –   МПа; 4 –  МПа

 

На рис. 2 представлены графики изменения давления перекачиваемого раствора на протяжении полного цикла работы для двух растворонасосов с комбинированным компенсатором пульсации давления и компенсатором увеличенного объёма, получены с помощью ПЭВМ с использованием формул при значениях давления  і 4 МПа.

Анализ полученных данных свидетельствует о том, что во время такта нагнетания ( ) давление воздуха или раствора в компенсаторе начинает расти, достигает максимального уровня, и потом снижается через некоторое время до окончания такта нагнетания. Степень роста давления в такте нагнетания значительно зависит от уровня начального давления. Действительно, при начальном давлении 1 МПа (рис.2, а) его пульсация при работе растворонасоса с комбинированным компенсатором пульсации давления составляет 13,5%, а при  МПа – 26%, то есть почти  в два рази больше. Во время работы растворонасоса с компенсатором увеличенного объёма при 1 МПа (рис.2, б) пульсация давления составляет 12,2%, а при  МПа – 14,0%, что характеризует снижение пульсации давления растворонасоса.

При давлении  МПа степень пульсации снижается с 50,3% до 25,7% соответственно, что свидетельствует об эффективности работы растворонасоса с компенсатором увеличенного объёма.

Это объясняется тем, что суммарный объём  сжатого воздуха в камерах компенсатора в начале цикла прямо пропорциональный суммарному приведенному объёму  и обратно пропорциональный начальному давлению воздуха в это время.

На рис. 3 построены графики давления за уравнением при суммарном приведенном объёме воздуха компенсатора , и  дм3 у растворонасоса с комбинированным компенсатором пульсации давления, а при суммарном  приведенном объёме воздуха компенсатора , и  дм3, у растворонасоса с компенсатором увеличенного объёма, при начальном давлении  МПа.

Графические зависимости (рис. 2, б) свидетельствуют о том, что в растворонасосе с компенсатором увеличенного объёма наблюдается снижение пульсаций давления, которые имеют место при нагнетании раствора в сравнении с растворонасосом с комбинированным компенсатором пульсации давления.

Смещение максимума на кривых изменения давления влево от угла  объясняется тем, что в конце хода поршня в такте нагнетания его скорость значительно снижается и некоторое время не обеспечивает уровень средней подачи за цикл. Начиная с этого момента, подача раствора в нагнетательный трубопровод происходит не только за счёт нагнетания от поршня, но и за счёт расширения сжатого воздуха в компенсаторе, что, в свою очередь, сопровождается снижением давления воздуха в компенсаторе. Такое же явление наблюдается и в начальный момент такта нагнетания, когда малая скорость хода поршня ещё не обеспечивает необходимый уровень подачи раствора. В связи с этим на кривых изменения давления в начальный период такта нагнетания появляются участки снижения давления относительно начального, что особенно хорошо заметно на кривых с высоким давлением
( и 4 МПа).

Данные графиков рис. 3 указывают на то, что с увеличением объёма компенсатора, пульсации давления раствора уменьшаются.

Такой начальный уровень давления был избран в связи с тем, что давление подачи раствора 1,5...2,5 МПа есть наиболее распространённым при исполнении штукатурных работ.

Из представленных графиков видно, что величина суммарного приведённого объёма значительно влияет на уровень колебания давления подачи на протяжении цикла работы растворонасоса. Особенно большое колебание давления наблюдается тогда, когда приведенный объём воздуха составляет 10 дм3 (рис. 3, а). Из указанных данных следует, что для обеспечения умеренного уровня пульсации подачи раствора приведенный объём воздуха в компенсаторе должен быть не меньше 40 дм3.

а)                                                       б)

Рис. 3. Графики изменения давления подачи на протяжении цикла в зависимости от суммарного приведенного объёма воздуха:

а) растворонасос с комбинированным компенсатором пульсации давления 1 –  дм3, 2 –  дм3, 3 –  дм3;

б) растворонасос с комбинированным компенсатором увеличенного объёма 1 –  дм3, 2 –  дм3, 3 –  дм3.

Примечание: графические зависимости получены при разных значениях объёмов компенсаторов.

 

За полученными результатами теоретических исследований можно сделать следующие выводы:

1. Доказано, что более эффективным в работе признано растворонасос с комбинированным компенсатором увеличенного объёма, о чем свидетельствуют следующие данные: только при начальном давлении  МПа наблюдается незначительное уменьшение пульсации давления, а уже при  МПа пульсация уже в два раза меньше.

2. Поскольку наиболее распространенным давлением подачи растворов есть давление примерно 2 МПа, а уровень пульсации давления в пределах 15% – не вредит качественному исполнению штукатурных работ, тогда можно считать, что для комбинированного компенсатора увеличенного объёма достаточный суммарный приведённый объём воздуха должен быть 40 дм3.

 

Литература

1.       Шаповал М. В. Вплив параметрів роботи комбінованого компенсатора на рівень пульсації тиску // "СТРОИТЕЛЬСТВО. МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ. МАШИНОСТРОЕНИЕ. ИТЕНСИФИКАЦИЯ РАБОЧИХ ПРОЦЕССОВ СТРОИТЕЛЬНЫХ И ДОРОЖНЫХ МАШИН. СЕРИЯ: ПОДЪЁМНО-ТРАСПОРТНЫЕ, СТРОИТЕЛЬНЫЕ И ДОРОЖНЫЕ МАШИНЫ И ОБОРУДОВАНИЕ" Сб. научн. тр. № 66. Ответственный редактор д.т.н., профессор Л.А. ХМАРА – Днепропетровск: ГВУЗ "ПГАСА", 2012. – С 204-211.

2.       Теория механизмов и машин: Учеб. для втузов / К.В. Фролов, С.А. Попов, А.К. Мусатов и др.; Под ред. К.В. Фролова. – М.: Высш. шк., 1987. – 496 с.: ил.

3.       Емельянова И.А., Баранов А.Н., Проценко А.Н. Исследование кольцевого поршневого блока компенсатора для малоимпульсной подачи бетонных смесей пониженной подвижности. // Науковий вісник будівництва. – Харків: Харківське обл. терретор. відділ. Академії буд. України. – 1998. – Вып. №4. – С. 88 – 91.

4.                 Двухпоршневые растворобетононасосы для условий строительной площадки: Монография / Емельянова И.А., Задорожный А.А., Гузенко С.А., Меленцов Н.А. / под ред. Емельяновой И.А. – Тимченко, 2011. – 196.: ил., табл.