К.т.н. Гаврильченко О.С., старший викладач Линник Ю.О., магістрант Черніков Р.С., к.т.н. Алієв Е.Б.

Дніпропетровський державний аграрно-економічний університет

Моделювання роботи ротаційного пластинчастого вакуумного насоса доїльної установки

Аналіз досліджень показав, що існуючі математичні моделі, які описують робочий процес вакуумного насоса не в повній мірі відображає дійсну зміну вакуумметричного тиску в робочій камері, так як в них не враховано внутрішні перетікання в насосі та зміни термодинамічного стану повітря. Тому дослідження робочого процесу ротаційного пластинчастого вакуумного насоса проводились методом чисельного моделювання з використанням програмного пакету PumpLinx. Для проведення моделювання була побудована сітка 3D моделі ротаційного пластинчастого вакуумного насоса з використанням генератора поверхневої сітки і багатогранних комірок (рисунок 1). Базовий розмір комірки складав 0,001 м.

Рисунок 1 – Сітка 3D моделі ротаційного пластинчастого вакуумного насоса в PumpLinx

Моделювання проводилися з використанням моделі роторного лопатного насоса. Рух повітря підпорядковувався турбулентному стану із можливою кавітацією.

В початковий момент часу повітря в насосі знаходилося під атмосферним тиском – 101,325 кПа і температурою – 300 К.

Діаметр статора складав D_p = 0,17 м, діаметр ротора d_p = 0,146, довжина ротора L_p = 0,172 м, ексцентриситет m_p = 0,0128 м, товщина пластини h_p = 0,005 м; число пластин Z_p = 4.

В процесі моделювання змінювали геометричні розміри насоса, а саме фази розподілу повітря: кут всмоктування вакуумного насоса θ_in в межах від π/6 до π/2, кут стиску вакуумного насоса θ₁ в межах від π/2 до π, кут нагнітання вакуумного насоса θ_out в межах від π/6 до π/2 (рисунок 2). Частоту обертання ротора змінювали n від 0 до 3000 об/хв.

В результаті чисельного моделювання робочого процесу ротаційного пластинчастого вакуумного насоса отримано динаміку розподілу вакуумметричного тиску (рисунок 2).

Рисунок 2 – Динаміка розподілу вакуумметричного тиску ротаційного пластинчастого вакуумного насоса (при θ_in = 1,22 (71 º), θ₁ = 3,09 (177 º), θ_out = 0,82 (47 º), n = 3000 об/хв)

Вимірювання вакуумметричного тиску в заданих точках вакуумного насоса дали змогу отримати індикаторну діаграму вакуумного насоса (рисунок 3), яка показує динаміку вакуумметричного тиску в його робочій камері.

Рисунок 3 – Індикаторна діаграма вакуумного насоса (при θ_in = 1,22 (71 º), θ₁ = 3,09 (177 º), θ_out = 0,82 (47 º), n = 3000 об/хв)

Як видно з рисунку 3 всмоктування починається з різкого збільшення кривої вакуумметричного тиску в точці H. Після чого крива набуває максимального значення, коли робоча камера має найбільший об’єм. При зменшені об’єму камери, в період її подальшого руху, величина вакуумметричного тиску зменшується в результаті стиснення повітря. Тиск наприкінці стиснення в робочій камері повинен дорівнювати атмосферному, насправді він відповідає точки D на індикаторній діаграмі. Тому в момент сполучення камери із нагнітаючим вікном тиск в просторі нагнітання перевищує тиск в просторі стиснення. При цьому в момент відкривання нагнітаючого вікна з простору нагнітання повітря плавно перетікає в камеру. В результаті перетікання спостерігається вирівнювання тиску в камері і нагнітаючому вікні. При подальшому обертанні ротора починається виштовхування повітря в результаті зменшення об’єму камери. Виштовхування повітря відбувається до точки E, а при подальшому русі ротора наступна камера сполучається із простором нагнітання і з першою камерою. В силу того, що у другій камері вакуум, тиск в першій камері зменшується до точки F. Ця точка відповідає положенню коли тиск в першій і другій камерах і в просторі нагнітання вирівнюються. Після чого відбувається виштовхування повітря з другої камери, а цей тиск передається в першу камеру, і тиск в ній збільшується до точки G. Хоча в другій камері виштовхування не закінчується і тиск в нагнітаючому просторі зберігається, починаючи з точки G тиск в першій камері зменшується. Тиск врівноважується із атмосферним в точці H за рахунок перетікань газу між ротором і корпусом.

Література:

1. Шевченко І.А. Науково-методичні рекомендації з багатокритеріального виробничого контролю доїльних установок / І.А. Шевченко, Е.Б. Алієв / За редакцією доктора технічних наук, професора, член-кореспондента НААН України, І.А. Шевченка – Запоріжжя: Акцент Інвест-трейд, 2013 – 156 с. – ISBN 978-966-2602-41-VIII.

2. Хлумский В.П. Ротационные компрессоры и вакуум-насосы / В.П. Хлумский. – М.: Машиностроение, 1971. – 125 с.

3. Мжельский Н.И. Исследование эксплуатационных характеристик вакуумных насосов, применяемых при машинном доении коров: Автореф. Дис. канд. техн. Наук / Н.И. Мжельский. – М., 1966. – 47 с.

4. Мжельский Н.И. Вакуумные насосы для доильных установок / Н.И. Мжельский. – М. : Машиностроение, 1974. – 151 с.

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