Повышение эффективности рабочего процесса ва­куумного насоса доильной установки за счет оп­тимизации его конструктивных и технологических

В этом же разделе дано определение потребной мощности для при­вода насоса. Потребную мощность на валу насоса можно определить из выражения

, (21)

где Nт – мощность, затрачиваемая на сжатие и перенос газа, Вт;

Nмех. – мощность, теряемая в подшипниках, Вт;

Nтр. – мощность, затрачиваемая на преодоление трения при движе­нии пла­стин в пазах ротора и по цилиндрической расточке корпуса.

Мощность Nмех. требуемая на преодоление сил трения цапф ротора в под­шипниках

, (22)

где Тр – равнодействующая сил, действующая на цапфы ротора и вос­при­нимаемая опорами, H;

– угловая скорость ротора рад/с;

4 – коэффициент трения в подшипниках качения, 4 = 0,005…0,008;

dц – диаметр цапфы, м.

Равнодействующая сил определяется по формуле

, (23)

где dр – диаметр вала (цапфы) ротора, м.

При движении пластин в пазах ротора и по цилиндрической рас­точке кор­пуса силы трения возникают от действия внешних сил: сил инер­ции и сил пе­репада давлений, действующих на пластину. Мощность, за­трачиваемая на тре­ние

. (24)

где NЦ.И. и NП.И. – мощность, затрачиваемая на преодоление трения соот­ветственно при движении пластины по цилиндрической расточке кор­пуса и в пазу ротора при действии на пластину только сил инерции, Вт;

NЦ..P и NП.P – то же, при действии на пластину сил от перепада давле­ний, Вт.

Для насоса УВД с тангенциальным расположением пластин

; (25)

; (26)

; (27)

, (28)

где mп. – масса пластин, кг;

ц. и р – коэффициенты трения пластины соответственно по ци­линдриче­ской расточке корпуса и в пазу ротора;

h – высота пластины, м;

l – длина пластины, м;

k – показатель адиабаты процесса.

Энергетическая характеристика пластинчатого вакуумного насоса зависит не только от его технологических и конструктивных параметров, но и от качества изготовления деталей, выполнения монтажных работ и теплового зазора. Наибольшие затраты мощности связаны с преодолением сил трения в конструктивных элементах насоса.

В третьей главе «Программа и методика экспериментальных ис­следований процесса работы вакуумного насоса» разработана программа исследований, даны общая и частная методики ис­следований, описано оборудование и условия проведения эксперимента.

Для обеспечения наилучших условий вакуумного режима доильной уста­новки необходимо подобрать оптимальные технологические пара­метры про­цесса. Оптимальные технологиче­ские параметры процесса от­качки воздуха – это параметры, которые обес­печи­вают стабильность разрежения в вакуумной системе; соблюдение фи­зиоло­гических требова­ний к вакуумному режиму; повышение производи­тельности системы; улучшение внешней характеристики насоса и позволяю­щие при этом сни­зить удельную энергоемкость или же металлоемкость обо­рудования.

В соответствии с поставленной задачей программа исследований преду­смат­ривает:

• выяснить, какое влияние на производительность вакуумного насоса, величину разрежения в системе, и затраты электроэнергии, а также необходимой мощности на привод установки, оказывают конструктивные и технологические параметры: частота вращения ротора вакуумного насоса; форма и сечение впускных окон и их размещение по длине корпуса насоса;
• обосновать область рационального сочетания параметров вакуумного насоса при его работе;
• провести в лабораторных условиях эксперимент по повышению эффективности процесса создания разрежения вакуумным насосом на различных режимах его работы и выявлению наиболее оптимальных технико-технологических и конструктивных параметров установки;
• провести исследование методами планирования эксперимента рабочего процесса вакуумного насоса;
• дать рекомендации по улучшению параметров насоса и установить область их рационального сочетания;

С целью определения влияния технико-технологических и конст­руктив­ных параметров насоса на производительность вакуумной системы был про­веден многофакторный эксперимент, в ходе которого изучался процесс исте­чения газа во входном сечении патрубка насоса при разной частоте вращения вала ротора.

Опыты проводились на унифицированной вакуумной установке УВУ 45/60 (рисунок 4) в комплект которой входили: быстроходный, пла­стинчато-роторный вакуумный насос марки УВД 10.000, производитель­ностью 1,0 м3/мин; элек­тродвигатель марки 4АМ100L4У3 мощностью 4 кВт; рама; глушитель; пре­дохранитель. На участке между вакуумным на­сосом и вакуумным баллоном была установлена экспериментальная камера, состоящая из двух частей, в которую помещались пластины. На пластинах были выполнены от­верстия разного сечения, формы и с различным расположением по их длине.

В качестве критериев оптимизации принимаем следующее: произ­води­тельность (Vд,м3/ч), потребная мощ­ность (N, кВт), давление в системе (pc, Па), ко­эффициент подачи ().

1 – глушитель; 2 – вакуумный насос УВД 10.000; 3 – образцовый ва­ку­умметр ВО1; 4 – колпачок предохранителя; 5 – экспериментальная ка­мера; 6 – экспериментальная пластина; 7 – вакуумрегулятор; 8 – вакуумметр ВПТ – 1; 9 – вакуумбаллон; 10 – вакуумпровод; 11 – индикатор КИ-4840М; 12 – манометр ОБМ 1-100б

Рисунок 4 – Схема экспериментальной вакуумной установки

Из априорной информации известно, что на эти параметры оказы­вают влияние следующие факторы: площадь сечения впускного от­верстия (Sв в м2), форма впускного отверстия как качественный фактор, выражен­ная через коэффициент сопротивления трению , частота вращения вала ротора насоса (n, мин-1).

В ходе опытов площадь отверстий составляла 20,58; 28,36; 38,40; 50; 58,56 см2. Из всего разнообразия форм были исследованы отверстия круглого, прямоугольного, треугольного, овального, ромбовидного, щеле­вого сечений. По показаниям приборов определяется величина разреже­ния до отверстия и после него, а также расход воздуха. Используя методы математического моделирования на основании полученных опытных дан­ных определяются такие выходные параметры как проводимость отвер­стия, производительность насоса и потребная на его привод мощность.

Для регулировки частоты вращения ротора насоса использовался набор сменных шкивов. Частота вращения ротора на­соса составляла 950; 1100; 1200; 1425 и 1600 мин-1 и измерялась индикатором ТМ1-1ПУ3.

В процессе планирования многофакторного эксперимента, было от­дано предпочтение трехуровневым, почти ротатабельным планам второго порядка Бокса-Бенкина.

Полученные экспериментальные данные обрабатывались с помо­щью па­кета программ MS Office, а также Statgraphics plus Ver­sion 3.0.

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

В ходе определения оптимальных режимов работы вакуумного на­соса установлено их влияние на выходные параметры.

Анализ площади сечения входного отверстия показал, что с увели­чением ее значения с 20 см2 до 58,56 см2, улучшается внешняя характери­стика насоса, повышается его производительность (на 38,3%) и снижается потребная мощность (на 10,2%). Все это обусловлено увеличением показа­теля проводимости отверстия (на 32,2%).

Из рассмотренных форм впускных отверстий наибольший интерес представляют три – круглая, прямо­угольная и треугольная. Из анализа полученных значений видно, что про­изводительность насоса имеет наибольший показатель при использовании треугольной формы впускного отверстия (V=66,33 м3/ч). Мощность по­требная на привод насоса составила 3,85 кВт. Наиболее технологичными остаются окна прямоугольной формы. Данное сечение характеризуется средними значениями выходных параметров (V=64,9 м3/ч; N=3,75 кВт). Впускные отверстия круглого сечения просты в изготовлении и характери­зуются наименьшими затратами мощности на сопротивление потоку воз­духа. Для данного сечения получены следующие выходные параметры: V=62,4 м3/ч; N=3,6 кВт.

В ходе исследования влияния частоты вращения ротора насоса было уста­новлено, что повышение частоты вращения ротора насоса с 950 до 1600 мин-1, приводит к росту действительной производительности в среднем в 2 раза. При этом потребная мощность увеличивается на 30%. Величина раз­режения в системе изменилась с 52 до 54 кПа.

В ходе многофакторного регрессионного анализа по определению влия­ния исследуемых факторов на производительность вакуумного насоса, потребную мощность, величину разрежения в системе и коэффициент по­дачи были получены следующие математические модели в кодированном виде

где b1, b2, b3 – факторы в кодированном виде

Дисперсионный анализ уравнений регрессии по­зво­лил сделать вывод о том, что все модели информационно значимы, так как присутствует статистически значимое отноше­ние между переменными на уровне 99%. Адекватность уравнений проверяли по критериям Фишера. Коэффициенты с уровнем значимости более 0,5 в модели не включались.

По полученным математическим моделям были построены трех­мерные поверхности отклика (рисунок 5)

а) б)

а) б)

в) г)

Рисунок 5 - Влияние площади сечения впускного отверстия (b1), формы отверстия (b2), частоты вращения вала ротора насоса (b3) на производи­тельность а), потребную мощность б), величину разре­жения в системе в), коэффициент подачи г).

В результате анализа построенных поверхностей отклика получены оптимальные значения основных факторов: площадь сечения впускного отверстия - 38,40…50 см3; форма впускного отверстия - треугольная, пря­моугольная; частота вращения ротора насоса - 1200…1450 мин-1. Все вы­ходные параметры, полученные в ходе варьирования основных факторов, оценивались с учетом зоотехнических норм на доильное оборудование.

В пятой главе «Расчет экономической эффективности» описана методика определения эффективности, приведены исходные данные и ре­зультаты расчетов. За базу для технико-экономического сравнения был принят насос УВД 10.000.

Расчет проводился по общепринятым методикам расчета экономи­ческой эффективности. Результаты расчета технико-экономических пока­зателей сравниваемых вариантов представлены в таблице 1.

Таблица 1 – Результаты расчета экономической эффективности

Расчетные показатели	Варианты
	Базовый	Новый
Оплата труда обслуживаю­щего персонала, руб.	13721,4	13721,4
Затраты на электроэнергию, руб.	9720	8748
Производительность, м3/ч	40	43
Амортизационные отчисле­ния на вакуумные насосы, руб.	720	693,5
Затраты на ремонт и ТО	1008	970,9
Прямые эксплуатационные затраты, руб.	26455,35	25224,65
Приведенные затраты, руб.	29695,35	28539,8
Планируемая годовая экономия, руб.		1284,12
Годовой экономический эф­фект, руб.		1155,55
Срок окупаемости машины, год		0,18

Общие выводы и предложения

1. Необходимость совершенствования вакуумных машин доильных ус­тановок определяется экономическими предпосылками. Приведенный анализ существующих конструкций и классификация вакуумных насосов, свидетель­ствуют о большом их разнообразии и широком диапазоне реализуемых ими режимов.

2. Для обеспечения бесперебойной работы современных доильных установок и повышения эффективности их применения целесообразно использовать в них ротационные вакуумные насосы пластинчатого типа

3. Совершенствование ротационного вакуумного насоса потребовало теоретического обоснования его конструктивных и технологических парамет­ров. В основу математического моделирования про­цесса положены зако­номерности течения воздуха в низком вакууме. Получены основные зависимости процесса: проводимость впускного отверстия в зависимости от площади его сечения (4, 5); проводимости впускных элементов круглого, прямоугольного, треугольного, эллиптического сечений (6, 8, 9, 10); коэффициент подачи (11); производительность вакуумного насоса (12); коэффициент заполнения межпластинчатой камеры (13); быстрота действия насоса в зависимости от коэффициента заполнения межпластинчатой камеры (20).

4. Результаты предварительного эксперимента позволили вы­явить значи­мые факторы, влияющие на работу вакуумного насоса, не­обходи­мые для второго этапа исследования. В качестве наиболее зна­чимых следует отметить такие факторы, как площадь сечения впуск­ного отверстия, форма впускного отверстия и частота вращения вала ротора насоса.

5. Обработка многофакторного эксперимента позволила вы­явить опти­мальные конструктивные и режимные параметры установ­ки, значение которых можно ис­пользовать при совершенствовании кон­структивно-технологической схемы (S = 38,40…50 см2; форма - прямоугольная, треугольная; n = 1450±25 мин-1). Установлена связь между исследуе­мыми факторами и выходными величинами.

6. Оптимизация исследуемого процесса в значительной мере по­влияла на рабочий режим и энергетическую характеристику, что позво­лило повысить произ­водитель­ность насоса в среднем на 8,8% (V = 64,77 м3/ч) и снизить потребную мощность в среднем на 10% (N = 3,6 кВт), в сравнении с серийным образцом. Ус­тановка обеспе­чивает не­обходимую стабильность вакуумного режима согласно зоотехническим нормам (Pсис.=53,3 кПа).

7. Оптимизация технологических и конструктивных параметров исследуемого насоса позволит снизить энергетические затраты на 10% и получить годовую экономию по прямым эксплуатационным затратам в размере 1155,55 руб./год. в расчете на одну единицу машины. Данное исследование по совершенствованию конструктивной и технологической схемы насоса приведет к увеличению запаса по производительности на 8,8%, что в свою очередь, повлияет на ресурс машины. При этом срок окупаемости капитальных вложений со­ставляет 0,18 года.

При внедрении результатов исследования в масштабах Великолукского района Псковской области позволит получить годовой экономический эффект в размере 25422 руб.

Основные положения диссертации опубликованы в

следующих работах:

1. Пяткин Д.Б. Анализ конструкций вакуумных насосов для доиль­ных установок / Д.Б. Пяткин // Совершенствование технологических про­цессов и рабочих органов машин в животноводстве: сб. научн. тр. / СПбГАУ – Санкт-Петербург, 2005. – с.17-26.
2. Пяткин Д.Б. Повышение эффективности работы ротационного ва­куумного насоса для доильных установок / Д.Б. Пяткин, Б.И. Вагин // Ин­новации молодых ученых развитию АПК России: сб. научн. тр. / По мате­риалам научно-практической конференции. - Великие Луки.: РИО ВГСХА, 2006. - Ч. 2. -С. 134-136.
3. Пяткин Д.Б. Расчет вакуумных систем доильных установок / Пят­кин Д.Б. Вагин Б.И. // Сельский механизатор. – 2007. - №1. – с. 20.