Міністерство освіти і науки України

Полтавський національний технічний університет

імені Юрія Кондратюка

Коробко Богдан Олегович

УДК 693.6.002.5

Дослідження робочих процесів розчинонасоса з комбінованим законом руху проточного плунжера

05.05.02 – Машини для виробництва будівельних матеріалів і конструкцій

Автореферат дисертації

на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Полтава – 2002

Дисертація є рукописом

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

Науковий керівник: – доктор технічних наук, професор, завідувач

кафедри будівельних машин і обладнання,

заслужений працівник вищої школи України

Онищенко Олександр Григорович.

Офіційні опоненти: – доктор технічних наук, професор, завідувач

кафедри машин та обладнання технологічних

процесів Київського національного університету

будівництва та архітектури

Назаренко Іван Іванович, –

доктор технічних наук, професор, завідувач

кафедри основ конструювання машин і

технологічного обладнання Кременчуцького

державного політехнічного університету

Маслов Олександр Гаврилович.

Провідна установа: – Харківський державний технічний університет

будівництва та архітектури, кафедра механізації

будівельних процесів.

Захист відбудеться 18 грудня 2002 року, о 1300, на засіданні спеціалізованої вченої ради К 44.052.01 Полтавського національного технічного університету імені Юрія Кондратюка за адресою: 36601, м. Полтава, Першотравневий проспект, 24 (зала засідань – аудиторія 218)

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Полтавського національного технічного університету імені Юрія Кондратюка за адресою: 36601, м. Полтава, Першотравневий проспект, 24

Автореферат розісланий 18 листопада 2002 року.

Учений секретар

спеціалізованої вченої ради

доктор технічних наук, професор Р.Г. Савенко

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Впровадження прогресивних механізованих технологій виконання опоряджувальних робіт розширює використання засобів транспортування будівельних розчинів та оздоблювальних сумішей трубопроводами. Застосування для цих цілей малоімпульсних високопродуктивних розчинонасосів дозволяє механізувати не тільки подачу будівельних матеріалів до робочих місць, але й виконувати основні технологічні операції: механізоване нанесення штукатурних розчинів і декоративних сумішей при оздобленні стін, укладання розчинів при ущільненні стиків конструкцій, улаштуванні підлог, утворенні гідроізоляції.

Досвід експлуатації розчинонасосів при поступовому впровадженні механізованої технології вказує напрями подальшого вдосконалення цих машин шляхом підвищення їх надійності й зниження енергетичних витрат на перекачування за рахунок зменшення пульсації потоку та об'ємних втрат у гідравлічній частині насоса.

Як підтверджує досвід використання розчинонасосів, рівень об'ємних втрат розчинів під час перекачування значною мірою зумовлений взаємодією середовища і робочих елементів насоса, що визначаються їх пружними властивостями. Проте відсутність кількісних показників пружних властивостей будівельних сумішей різного складу і рухомості ускладнює розроблення ефективних шляхів підвищення об'ємного ККД створюваних розчинонасосів нового покоління. Тому теоретичне та експериментальне дослідження пружних властивостей розчинів украй необхідне для вдосконалення засобів подачі будівельних сумішей трубопроводами.

Проблема зниження пульсації подачі розчинів пов'язана з необхідністю використання приводів, які забезпечують робочим органам насосів постійну швидкість ходу при помірних динамічних навантаженнях під час переходу через "мертві" точки. На наш погляд, найбільш сприятливий рух робочого органа може бути реалізований кулачковим механізмом, за допомогою якого можна керувати режимом роботи привода і забезпечити необхідний комбінований закон руху робочого органа.

Застосування комбінованого закону руху робочого органа є перспективним, оскільки дає можливість забезпечити сприятливий режим роботи з точки зору зменшення пульсації подачі, плавності та безударності роботи привода, скорочення часу закриття клапанів, енергетичних витрат, а також обмежитись одним робочим органом диференціального типу і таким чином зменшити металоємність конструкції насоса.

Виходячи з цього, поставлене в даній роботі завдання з дослідження взаємодії перекачуваного середовища з робочими органами насосної колонки та створення на цій основі нового розчинонасоса з комбінованим законом руху плунжера, який характеризується зменшеною пульсацією подачі, плавною роботою привода й підвищеним ККД, є актуальним як для будівельної галузі, так і для розчинонасособудування в цілому.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Тема дисертації включена до розробленої Полтавським національним технічним університетом імені Юрія Кондратюка держбюджетної науково-дослідницької роботи "Теоретичне та експериментальне оцінювання пружних властивостей перекачуваних розчинонасосами середовищ із метою підвищення ефективності створюваних засобів механізації опоряджувальних робіт у будівництві", яка затверджена Міністерством освіти і науки України й відповідає напряму наукових досліджень кафедри.

Об'єктом дослідження є створений нами вертикальний диференціальний розчинонасос із проточним плунжером, призначений для перекачування будівельних розчинів різної рухомості до місць механізованого нанесення на оброблювані поверхні.

Предметом дослідження є робочі процеси розчинонасоса з комбінованим законом руху проточного плунжера, які відбуваються під впливом пружних і реологічних властивостей перекачуваного середовища.

Мета і завдання дослідження. Метою роботи є підвищення ефективності робочого процесу розчинонасосів на основі дослідження умов взаємодії перекачуваних будівельних розчинів з їх робочими органами, а також розроблення керованого комбінованого режиму руху робочого органа насоса для зменшення динамічних навантажень на ланки привода, зниження пульсації подачі та підвищення об'ємного ККД.

Для досягнення сформульованої мети в дисертаційній роботі необхідно розв'язати наступні основні завдання:

1. Розробити фізичну та математичну модель робочого процесу запропонованого розчинонасоса та на її основі теоретично проаналізувати сумісний влив властивостей перекачуваного середовища і конструктивних особливостей привода та насосної колонки на показники ефективності роботи розчинонасоса.

2. Теоретично обґрунтувати та експериментально дослідити механізм прояву пружних властивостей у вигляді об'ємного розширення і стиснення будівельних розчинів при зміні зовнішнього тиску.

3. Обґрунтувати методику визначення основних параметрів, що характеризують пружні властивості будівельних розчинів. Отримати оцінку реологічних характеристик перекачуваного розчину, які визначають процес гідродинамічної взаємодії потоку розчину з деталями насосної колонки.

4. Розробити та обґрунтувати конструктивну схему диференціального розчинонасоса з комбінованим законом руху проточного плунжера.

5. Виконати експериментальні дослідження пружних і реологічних властивостей будівельних розчинів різної рухомості та вивчити їх прояв при взаємодії з елементами насосної колонки, а також експериментально оцінити ефективність робочого процесу розробленого розчинонасоса.

Методи дослідження. Вплив властивостей розчинів і запропонованих конструктивних рішень при розробленні нового розчинонасоса на характер протікання його робочих процесів досліджувався шляхом вивчення зміни тиску потоку розчину в різних камерах розчинонасоса, руху кульки нагнітального клапана, вимірюванням фактичної продуктивності розчинонасоса. За основу способу дослідження пружних властивостей будівельних розчинів прийняті процеси їх об'ємного стиснення і розширення. При цьому враховується, що ці процеси відбуваються за рахунок зміни об'єму вільного та розчиненого повітря, що міститься у розчинах, і підпорядковані законам Бойля–Маріотта й Генрі. Вивчення реологічних характеристик та їх прояв при гідродинамічній взаємодії вузлів насосної колонки з потоком розчину виконано з використанням формули Стокса для обтікання сферичного тіла рідиною.

Інформаційною основою дослідження є узагальнені наукові висновки вітчизняних і зарубіжних учених у галузі транспортування в'язких технологічних рідин трубопроводами, а також рекомендації провідних наукових центрів із проблем підвищення ефективності засобів транспортування і механізованого укладання будівельних розчинів.

Для обробки вихідних матеріалів використовувалися: прийоми порівняльного та багатофакторного аналізу; методи логічного узагальнення; методи математичного моделювання. Це забезпечило наукову обґрунтованість відповідних позицій щодо визначення оптимальних параметрів робочого процесу розчинонасоса з комбінованим законом руху проточного плунжера.

Наукова новизна

1. Уперше розкритий механізм взаємодії перекачуваного середовища з робочими органами розчинонасоса з урахуванням пружних властивостей будівельних розчинів. Визначено вплив процесів взаємодії на рівень коефіцієнта наповнення робочої камери розчином і об'ємного ККД розчинонасосів та розроблені методики розрахунку цих показників.

2. Розкритий механізм гідродинамічної взаємодії кульки клапана розчинонасоса з будівельним розчином з урахуванням реологічних властивостей потоку, на основі якого визначено сприятливий режим роботи привода.

3. Проведено багатофакторний аналіз гідродинамічної взаємодії кульки клапана з потоком перекачуваного розчину в умовах клапанної порожнини, на основі якого запропоновано закономірності роботи кульового клапана розчинонасоса з урахуванням прискорення кульки.

4. Уперше теоретично обґрунтовані на основі законів Генрі і Бойля – Маріотта пружні властивості будівельних розчинів як перекачуваного середовища. Розкриті закономірності й визначені кількісні показники цього явища для розчинів різної рухомості.

5. Уперше встановлено, що величина відносного розширення й стиснення будівельних розчинів при зміні зовнішнього тиску значною мірою залежать від їх рухомості внаслідок різного вмісту в них повітря.

6. Шляхом спеціального профілювання кулачка розроблений комбінований закон руху диференціального проточного плунжера, котрий забезпечує як рівномірність подачі розчину, так і підвищений рівень об'ємного ККД розчинонасоса за рахунок забезпечення сприятливого рівня тиску при всмоктуванні й скорочення часу закриття клапанів.

Обґрунтованість і достовірність наукових положень, висновків і рекомендацій забезпечена завдяки використанню системи законів класичної механіки, законів механіки рідини й газу. Прикладною складовою обґрунтованості наукових положень проведеного дослідження стало використання фактичного матеріалу, одержаного в результаті тривалого періоду застосування розчинонасосів у будівельному виробництві.

Достовірність висновків підтверджується збігом теоретичних та експериментальних досліджень при відхиленні не більше ніж 10%. Достовірність експериментальних даних при вивченні досліджуваних процесів забезпечувалася використанням методів статистичної обробки результатів вимірювань.

Наукове значення роботи. Теоретична цінність роботи полягає в розвитку уявлень про протікання робочих процесів розчинонасоса при взаємодії робочого органа з перекачуваним середовищем. У роботі теоретично обґрунтований прояв пружних властивостей будівельних розчинів залежно від їх рухомості та вмісту в них повітря. Встановлені закономірності, які пов'язують величину розширення і стискування розчинів різної рухомості з вмістом води й повітря у їх складі. Обґрунтований механізм гідродинамічної взаємодії елементів гідравлічної частини розчинонасоса з потоком структурованого середовища, яким є будівельний розчин. Визначено залежність величини гідродинамічної сили, яка діє на кульку клапана, від конструктивних параметрів клапана і закону руху робочого органа.

Практичне значення одержаних результатів

1. Опрацьовано методику розрахунку коефіцієнта наповнення робочої камери розчином і об'ємного ККД вертикального диференціального розчинонасоса на стадії проектування.

2. Встановлені закономірності роботи вільнодіючих клапанів вертикального диференціального розчинонасоса залежно від режиму руху робочого органа, які дозволяють оптимізувати конструктивні параметри клапанів.

3. На основі вивчення закономірностей розширення та стиснення будівельних розчинів під дією зовнішнього тиску вперше розроблено просту й надійну методику визначення відносного вмісту повітря в будівельних розчинах.

4. Розроблено методику визначення реологічних характеристик структурованої рідини шляхом аналізу руху кульки у досліджуваному розчині.

5. На основі проведених наукових досліджень створений диференціальний розчинонасос із кулачковим приводом проточного плунжера, який характеризується високою всмоктувальною спроможністю, об'ємним і гідравлічним ККД та зниженою пульсацією подачі.

6. Результати дисертаційної роботи впроваджені в розробки держбюджетної тематики, затвердженої Міністерством освіти і науки України, у навчальному процесі при підготовці фахівців зі спеціальності "Підйомно-транспортні, будівельні, дорожні і меліоративні машини та устаткування", у курсовому й дипломному проектуванні, а також впроваджені у будівельне виробництво.

Особистий внесок здобувача полягає в теоретичному обґрунтуванні робочих процесів, дослідженні, розробленні й впровадженні у виробництво диференціального розчинонасоса з комбінованим законом руху проточного плунжера, який має підвищений ККД і знижену пульсацію подачі. А також у розробленні на основі законів Генрі і Бойля–Маріотта механізмів розширення і стиснення будівельних розчинів, які містять розчинене та вільне повітря; експериментальному дослідженні показників пружності розчинів різної рухомості від рівня зовнішнього тиску й у вивченні впливу пружних властивостей на рівень об'ємного ККД розчинонасосів; у вивченні реологічних властивостей будівельних розчинів та їх впливу на основні техніко-економічні показники роботи розчинонасосів

Апробація результатів дисертації. Основні положення й результати дисертаційної роботи доповідались та були схвалені в період 1997 – 2002 рр. на наукових семінарах і науково-практичних конференціях викладачів, аспірантів та студентів Полтавського національного технічного університету, Національного технічного університету України "Київський політехнічний інститут"; Харківського державного автомобільно-дорожнього технічного університету; Кременчуцького державного політехнічного університету, в тому числі на міжнародних конференціях:–

Міжнародній науково-технічній конференції "Прогресивна техніка і технологія машинобудування, приладобудування і зварювального виробництва" (м. Київ, 1998 р.);–

Міжнародній науковій конференції "Интерстроймех–2000" (м. Харків, 2000 р.);–

Міжнародній науково-технічній конференції "Нові машини для виробництва будівельних матеріалів і конструкцій, сучасні будівельні технології" (м. Полтава, 2000 р.);–

Міжнародній науково-технічній конференції "Проблеми створення нових машин і технологій" (м. Кременчук, 2001 р.).

Публікації

За темою дисертації опубліковано 11 друкованих праць у фахових виданнях, у тому числі 2 журнальні статті, 5 статей у збірниках наукових праць, 4 у збірниках матеріалів і тез доповідей на наукових конференціях. За темою дисертації подано 2 заявки на винахід, за якими одержано патент України на винахід та позитивне рішення про видачу патенту на винахід.

Структура і обсяг дисертації

Дисертація складається зі вступу, чотирьох розділів, висновків, переліку використаних літературних джерел із 167 найменувань і 10 додатків на 76 сторінках. Обсяг дисертації складає 166 сторінок машинописного тексту. Вона містить 54 рисунка і 22 таблиці.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтована актуальність теми дисертації, сформульована мета досліджень, визначені основні завдання і методи їх розв'язання, викладені наукова новизна та практичне значення результатів роботи.

У першому розділі „Стан проблеми і задачі дослідження” на основі аналізу принципових схем поршневих насосів, найбільш придатних для перекачування будівельних розчинів, запропоновані до розгляду декілька типів конструкцій цих машин, які розглядаються у взаємозв'язку із властивостями перекачуваних будівельних розчинів.

Значний досвід із розроблення методологічних підходів щодо вивчення властивостей будівельних розчинів, створення ефективних технологічних схем та конструкцій засобів транспортування накопичений і детально висвітлений у працях відомих учених та інженерів: С.М. Алексєєва, Н.І. Альошина, С.С. Атаєва, І.М. Ахвердова, Ю.М. Баженова, А.М. Баранова, Є.Д. Бєлоусова, Ю.І. Бєлякова, М.С. Болотських, В.М. Владимирова, Д.П. Волкова, М.П. Волоровича, Є.Я. Доронькіна, С.С. Добронравова, В.М. Євстифєєва, І.А. Ємельянової, М.М. Завражина, Г.Б. Івянського, Н.С. Канюки, О.М. Лівінського, В.С. Ловейкіна, І.І. Назаренка, Л.В. Назарова, В.В. Нічке, О.Г. Онищенка, Є.П. Парфенова, П.А. Ребіндера, В.Й. Сівка, В.Д. Топчія, В.У. Уст'янцева, Л.А. Хмари, А.М. Холодова, І.А. Чиняєва, Ю.Б. Чиркова, Р.І. Шищенка, В.Б. Яковенка, О.М. Яхно та інших.

Проаналізовано властивості будівельних розчинів, зокрема пружні, реологічні, абразивні, які визначають умови роботи розчинонасосів, що призводять до утворення об'ємних втрат при перекачуванні. Показана необхідність визначення пружних та реологічних характеристик будівельних розчинів і розроблення методів їх кількісного оцінювання, а також вивчення відповідних механізмів взаємодії перекачуваного середовища з вузлами і деталями гідравлічної частини розчинонасосів.

При аналізі існуючих конструкцій розчинонасосів вітчизняного та іноземного виробництва особливу увагу приділено подвійному режиму їх дії як найбільш доцільному способу зменшення пульсації перекачуваного середовища, але повністю її не усуваючому. Розглянуті інші конструктивні особливості розчинонасосів, яки дозволяють надалі зменшувати пульсацію перекачуваного розчину шляхом збільшення кількості циліндрів, застосування комбінованих приводів поршнів, використання проточних поршнів. Наведені їх технічні характеристики.

Визначені основні напрями забезпечення вимог ефективної роботи розчинонасосів – підвищення всмоктувальної здатності, зниження рівня втрат, зменшення пульсації подачі, забезпечення достатнього тиску та можливості регулювання подачі, підвищення надійності роботи. Як найбільш відповідну до вказаних вимог запропоновано конструкцію розчинонасоса із комбінованим законом руху диференціального проточного плунжера з відповідним кулачковим приводом, котрий забезпечує постійну швидкість руху робочого органа і рівномірну подачу розчину. Окреслено коло завдань для виконання теоретичних і експериментальних досліджень.

У другому розділі „Теоретичні передумови дослідження робочих процесів розчинонасосів” обґрунтовані закономірності впливу характеристик перекачуваного середовища і конструктивних параметрів розчинонасоса на об'ємні та гідравлічні втрати, характер пульсації подачі й тиску.

Найбільш вагомі складові об'ємних втрат при роботі розчинонасосів пов'язані з недозаповненням робочої камери розчином при всмоктуванні, зі зворотними витоками і стисненням розчину при нагнітанні.

Проведений аналіз властивостей складових будівельних розчинів дозволив встановити причини недозаповнення робочої камери розчинонасоса через механізм їх об'ємного розширення при зниженні тиску. Розширення розчину при всмоктуванні відбувається через постійну наявність нерозчинених пухирців повітря (до 3%) і певну кількість рівномірно розчиненого повітря (до 1%) у воді як складовій частині розчину. Зміна об'єму інших складових (твердої фази розчину, пароутворенням води та ін.) при фактичних робочих тисках перекачування незначна і суттєвого впливу не має. Зміна об'єму пухирців повітря при зміні тиску відбувається відповідно до закону Бойля–Маріотта, а розчинення – закону Генрі. На основі цих законів нами встановлені функціональні залежності, які визначають відносну зміну об'єму розчину залежно від рівня тиску:–

при зниженні тиску від рівня атмосферного

; (1)–

при підвищенні тиску від рівня атмосферного

, (2)

де – відносне об'ємне розширення розчину як функція тиску в умовах усмоктування; – початковий об'єм розчину при тиску у камері; – величина тиску всмоктування; і – об'єми нерозчиненого повітря та води при атмосферному тиску; – коефіцієнт розчинності повітря у воді розчину.

Детальна послідовність визначення залежностей (1) і (2) наведена в дисертаційній роботі. Аналіз залежності (2) дав змогу зробити висновок про те, що максимальна відносна зміна об'єму розчину при стискуванні чисельно дорівнює відносному вмісту нерозчиненого повітря в розчині за нормальних умов

. (3)

Це зв'язано з тим, що при певному рівні тиску все повітря, яке початково знаходилося в розчині у вільному стані, перейде в розчинений стан у результаті взаємодії з водою. Величину коефіцієнта розчинності повітря у воді розчину можна визначити з виразу (2) за умови

, (4)

де – тиск максимального об'ємного стиснення розчину.

Таким чином, нами встановлені аналітичні залежності (3) і (4), які дозволяють визначити параметри та розчину, що характеризують рівень його розширення при зниженому тиску всмоктування у робочу камеру розчинонасоса. Виведені залежності дають можливість чисельно оцінювати втрати розчину внаслідок неповного заповнення робочої камери насоса в такті усмоктування і зниження подачі насоса за рахунок стиснення розчину в період нагнітання.

Об'єм зворотних витоків визначається часом закриття клапана й характеризується гідродинамічною взаємодією кульки клапана з розчином. Для оцінювання гідравлічної взаємодії кульки клапана розчинонасоса з потоком перекачуваного розчину нами використано основне положення наближеної теорії Навьє–Стокса про обтікання сфери потоком середовища для в'язких рідин, реологічні властивості яких описуються законом Ньютона і не враховують особливостей структурованих рідин, а саме – наявність граничного напруження зсуву . У результаті аналізу розподілу нормальних та дотичних питомих тисків на поверхні кульки з урахуванням деформаційної поведінки структурованої (неньютонівської) рідини, згідно із законом Шведова–Бінгама, нами визначено величину сили, яка діє на кульку радіусом , при відносному переміщенні зі швидкістю у розчині з параметрами

. (5)

В роботі проаналізовані такі випадки повільного занурення кульки у розчин, а саме: 1) початкове зрушення кульки у розчині під дією певного зусилля ; 2) опускання кульки з постійною швидкістю під дією сили ваги . На основі рівняння (5) й експериментальних вимірів , і можна визначити величини коефіцієнта структурованої в'язкості та граничного напруження зсуву розчину. Тоді з урахуванням архімедової сили розрахункові формули для визначення реологічних характеристик розчинів матимуть вигляд:

, . (6)

Аналіз процесу гідродинамічної взаємодії кульки з розчином показує, що робота клапанів відбувається під дією сил тяжіння кульки , архімедової і гідродинамічної , яку з урахуванням конструктивних особливостей клапанного вузла (наявністю сідла, обмеженості клапанної камери й зміни ширини клапанної щілини) нами запропоновано визначати залежністю

, (7)

де – середня швидкість потоку, що виходить з отвору сідла, м/с;

– середня швидкість потоку в міделевому перетині кульки, м/с; , – коефіцієнти лобового і тертьового опору.

При роботі нагнітального клапана нами враховано силу інерції кульки , прояв якої пов'язаний із зустрічним рухом сідла клапана разом із плунжером з прискоренням при опусканні кульки. Таким чином складені диференціальні рівняння, які описують опускання кульок:–

для нагнітального клапана ; (8)–

для усмоктувального клапана . (9)

На основі розроблених механізмів розширення і стиснення розчину при зміні тиску в робочій камері, а також взаємодії кульки клапана з потоком перекачуваного розчину та розрахунку величини зворотного витоку поетапно проаналізований робочий цикл розчинонасоса, розглянуті механізми утворення об'ємних втрат при його роботі і визначені закономірності оцінювання їх сумарної величини. З точки зору ефективності наповнення робочої камери розчином найважливішим є рівень тиску наприкінці всмоктування. Для врахування цієї особливості нами використано параметр відносної зміни об'єму ( - розширення або - стиснення), що відповідає тиску кінця всмоктування. Таким чином, нами запропоновано залежність, яка визначає загальний рівень об'ємного ККД розчинонасоса з урахуванням пружних властивостей розчину, а саме, характером зміни об'єму наприкінці всмоктування і рівнем стискування розчину при нагнітанні:

. (10)

де , – відповідно об'єми втрат при закритті нагнітального і всмоктувального клапанів; , , – відповідно повний, робочий і шкідливий об'єми робочої камери.

Без урахування пружності розчинів (; ) величина об'ємного ККД визначається лише об'ємом втрат через клапани (ККД клапанів):

. (11)

Розроблені теоретичні передумови, необхідні для визначення технологічних можливостей розчинонасоса, були використані при проектуванні вертикального диференціального розчинонасоса з кулачковим приводом плунжера (рис.1), який працює таким чином. При обертанні кулачка 3 рамка 4 з роликами 8 надає важелю 9 коливання навколо опори 10, і проточний плунжер 5 здійснює зворотно-поступальний рух. При ході плунжера вгору розчин через відкритий клапан 6 усмоктується в камеру 1. Одночасно розчин із компенсаційної камери 2 витискується у нагнітальний патрубок. При ході плунжера вниз клапан 6 закривається, і розчин, відкриваючи клапан 7, перетікає з камери 1 у камеру 2. При цьому одна частина цього розчину йде на заповнення камери 2, що збільшується, а решта – витискується в нагнітальний патрубок. Площі поперечного перетину нижньої і верхньої частин плунжера співвідносяться як 2:1, забезпечуючи диференціальний принцип дії насоса і подачу розчину в нагнітальний патрубок за обидва ходи плунжера рівними порціями. Для рівномірної подачі розчину плунжер рухається із постійною швидкістю впродовж більшої частини кожного напівциклу. Режим руху плунжера визначається профілем кулачка і повинен, з одного боку, забезпечувати постійну швидкість руху плунжера й рівномірну подачу розчину, а з другого – створювати безударну, плавну роботу привода з помірними динамічними навантаженнями під час зміни напряму руху.

Рис. 1. Схема вертикального диференціального розчинонасоса з кулачковим приводом проточного плунжера

Основним критерієм для оптимізації руху на перехідних ділянках є величина максимально допустимого прискорення, при якому величина динамічних навантажень, що виникають при зміні напряму руху, буде не більше ніж 10% від номінального робочого навантаження.

Сплеск прискорень обмежується конструктивним забезпеченням поблизу від найменшого й найбільшого радіусів кулачка перехідних ділянок, на яких прискорення поступово змінюється від 0 до максимуму при гальмуванні і, навпаки, при розгоні плунжера до сталої швидкості руху. Найбільш сприятливим режимом руху робочого органа розчинонасоса є комбінований закон руху, при котрому поєднується рівноприскорений рух при переході через "мертві" точки (ділянки 0-1', 2'-3', 4'-0 рис. 2) з подальшою плавною зміною прискорення (ділянки 1'-1, 2-2', 3'-3, 4'-4) та забезпечення рівномірного руху на більшій частині ходу плунжера (ділянки 1-2, 3-4).

Рис. 2. Графік швидкості плунжера з комбінованим законом руху

Закон руху роликової рамки в межах ділянки зміни прискорення визначається за умови мінімізації витрат динамічної потужності шляхом розв'язання рівняння Ейлера.

У третьому розділі „Теоретико-експериментальні дослідження робочих процесів розчинонасоса” подані результати експериментальних досліджень для підтвердження достовірності запропонованих гіпотез, кількісної оцінки властивостей перекачуваного розчину, визначення та обґрунтування раціональних конструктивних параметрів розчинонасоса з комбінованим законом руху робочого органа.

Для оцінювання поведінки розчинів під дією розрідження або надмірного стиснення використовувалися свіжо приготовані вапняно-піщані розчини марки 1:3 різної рухомості, результати досліджень наведені на рис. 3.

Рис. 3. Відносна зміна об'єму розчинів різної рухомості: а – при стискуванні, б – при розширенні (1 – теоретичні, 2 – експериментальні криві)

Аналіз одержаних результатів свідчить про наявність граничного рівня стиснення розчинів. Максимальний рівень стиснення малорухомих розчинів помітно вищий, ніж розчинів більшої рухомості, що вказує на більший вміст повітря в останніх. Різниця в характері об'ємного розширення розчинів пов'язана з різним утриманням води і нерозчиненого повітря. Експериментальні дані об'ємного розширення розчинів різної рухомості узгоджуються із висунутими гіпотезами й розробленими на їх основі математичними залежностями (1) та (2), що підтверджується збіжністю відповідних кривих 1 і 2 на рис. 3, б для кожного випадку, й дозволяють установити величину відносного об'ємного розширення розчину при певному рівні тиску всмоктування.

Визначення реологічних характеристик будівельних розчинів – граничного напруження зсуву і коефіцієнта структурованої в'язкості виконувалося згідно із запропонованим та теоретично обґрунтованим механізмом взаємодії кульки з розчином шляхом вимірювання зусилля початкового зрушення кульки, а також швидкості її руху в розчині під дією фіксованої сили. Одержані нами значення параметрів пружних і реологічних властивостей розчинів різної рухомості, наведені в таблиці, дають можливість подальшого вивчення механізмів взаємодії потоку перекачуваного середовища з вузлами гідравлічної частини розчинонасоса.

Таблиця. Кількісні характеристики пружних і реологічних властивостей вапняно-піщаних будівельних розчинів марки 1:3 різної рухомості

Рухомість, ОК, см Вміст повітря, , % Коефіцієнт розчинності , Па , Па·с

8 3,50 0,0120 607...610 29...30

10 2,00 0,0098 473...479 15...16

12 1,44 0,0092 300...303 11...12

Для можливості прогнозування руху кульки клапана і встановлення функціональних залежностей силових факторів, діючих на неї, зокрема сили взаємодії з потоком розчину, проведено багатофакторний аналіз числових значень коефіцієнтів в'язкого тертя середовища та лобового опору кульки . У результаті нами було встановлено наступні функціональні залежності:

, (13)

, (14)

де – подача через клапан, м3/с; – діаметр кульки, м; – коефіцієнт структурованої в'язкості, Па·с; – висота підйому кульки, м; – діаметр навколоклапанної камери, м; – діаметр отвору сідла, м.

Одержані результати (рис. 4) підтверджують, що процес взаємодії кульки клапана з потоком розчину характеризується гідравлічним радіусом клапанної щілини і значною мірою залежить від висоти розташування кульки над сідлом, а коефіцієнт в'язкого тертя при обтіканні бокової поверхні кульки клапана – від швидкості й консистенції потоку. При зростанні швидкості потоку величина коефіцієнта зменшується, що пояснюється послабленням зв'язків між структурними складовими розчинів як при підвищенні швидкості потоку, так і при збільшенні його рухомості.

Із використанням цих залежностей розглянуто робочий процес клапанного вузла розчинонасоса з урахуванням консистенції розчину, конструкції гідравлічної частини розчинонасоса та закону руху робочого органа і визначено величини кутів закриття всмоктувального та нагнітального клапанів (рис. 5).

Рис. 4. Діаграми експериментальних функціональних залежностей коефіцієнта лобового опору від конструктивних параметрів клапанного вузла і характеристик потоку розчину: а – від висоти підйому кульки та її діаметра ; б – від висоти підйому кульки і діаметра отвору сідла

Рис. 5. Графіки залежності величини кутів закриття всмоктувального (а) і нагнітального (б) клапанів розчинонасоса від максимального прискорення плунжера при переході через "мертві" точки

Одержані розрахункові значення кутів закриття клапанів дають можливість визначити об'єм зворотних витоків розчину при різних режимах руху робочого органа і рухомості перекачуваних розчинів, за якими можна розрахувати коефіцієнт корисної дії клапанів і призначити сприятливий режим руху.

Фактичний об'ємний ККД розчинонасоса визначався за допомогою експериментальної установки, яка імітувала максимально наближені до виробничних умови його роботи. Результати цих досліджень, наведені на рисунку 6, є підтвердженням необхідності урахування пружних властивостей розчинів при оцінюванні рівня об'ємних втрат у розчинонасосі, особливо у разі перекачування сумішей зниженої рухомості, і свідчать про придатність розробленої методики розрахунку об'ємного ККД розчинонасоса з урахуванням пружних властивостей перекачуваного середовища.

Рис. 6. Графіки залежності ККД клапанів (крива 1 – теоретична) і об'ємного ККД розчинонасоса з урахуванням пружних властивостей (крива 2 – експериментальна; крива 3 – теоретична) від рухомості перекачуваного розчину

Аналіз впливу комбінованого закону руху робочого органа, проведений на основі результатів вимірювань і розрахунків об'ємного ККД розчинонасоса (рис. 7), показує те, що збільшення прискорення плунжера поблизу "мертвих" точок приводить до зменшення об'ємних втрат при перекачуванні розчину ОК 8 см за рахунок значного скорочення часу закриття клапанів. Для розчинів ОК 10...12 см об'ємні втрати при збільшенні прискорення плунжера зростають, що зумовлене незначним зменшенням кутів закриття і різким збільшенням швидкості зворотних витоків. Різниця між графіками ККД клапанів і експериментальним ККД для розчину ОК 8 см пояснюється проявом пружних властивостей малорухомого розчину.

Рис. 7. Графіки залежності ККД клапанів (штрихові лінії) і експериментального об'ємного ККД (суцільні лінії) розчинонасоса від максимального прискорення плунжера при переході через "мертві" точки

Вивчення зміни тиску в робочих камерах насоса протягом робочого циклу (рис. 8) вказує на стабільний рівень тиску нагнітання протягом більшої частини робочого ходу і забезпечення стійкої малоімпульсної подачі розчинів низької рухомості.

Рис. 8. Діаграми зміни тиску у нагнітальному патрубку (а) та переміщення плунжера (б) при перекачуванні розчину ОК 8 см

У розділі 4 „Впровадження результатів дослідження у виробничій практиці” обґрунтовано методику визначення основних параметрів розчинонасосів із комбінованим законом руху робочого органа і наведено технічну характеристику створеного дослідного зразка.

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 проведені штукатурних робіт і утворенні самовирівнювальних підлог. Робота розчинонасоса отримала позитивну оцінку будівельників. За результатами випробувань насос рекомендований для виготовлення дослідної партії.

ВИСНОВКИ

1. Аналіз літературних джерел та виробничого досвіду використання розчинонасосів показує, що на рівні об'ємного ККД і пульсацію подачі можуть впливати пружні властивості будівельних розчинів. Але відсутність науково-обґрунтованих параметрів цих властивостей обмежує можливості підвищення ефективності створюваних розчинонасосів.

2. На основі досліджень пружних та реологічних властивостей перекачуваних розчинів вивчені робочі процеси в гідравлічній частині розчинонасоса, розроблені шляхи підвищення об'ємного ККД і методика розрахунку цього показника для насосів, що проектуються.

3. Теоретично обґрунтовані й експериментально визначені реологічні характеристики розчинів різної рухомості та параметри взаємодії кульок клапанів із потоком перекачуваного середовища – коефіцієнти лобового опору та в'язкого тертя і на їх основі запропоновані рекомендації до вдосконалення конструктивних параметрів кульових клапанів розчинонасосів.

4. На основі встановлених закономірностей взаємодії перекачуваного середовища з елементами насосної колонки розроблений, виготовлений та досліджений в лабораторних і виробничих умовах експериментальний зразок диференціального розчинонасоса з кулачковим приводом проточного плунжера, який підтвердив його працездатність та підвищену техніко-економічну ефективність.

5. На основі законів Генрі й Бойля – Маріотта встановлені додаткові закономірності кількісного оцінювання розширення або стискування розчинів за рахунок виділення та розширення або розчинення та стиснення повітря, яке міститься у розчині. Показано, що перехід дуже дрібних пухирців повітря у розчинений стан при підвищенні зовнішнього тиску і зворотне його виділення при зниженні тиску здійснюється дуже швидко, що надає розчинам пружних властивостей.

6. Теоретично обґрунтовано та експериментально підтверджено, що кількість пухирцевого повітря в розчинах залежить від їх рухомості: чим нижча рухомість, тим більший вміст повітря. Встановлено, що розчини при ОК 8 см містять до 3,5 % вільного повітря, а при ОК 12 см – лише 1,5 %.

7. Із використанням дослідного зразка виконані дослідження об'ємного ККД при перекачуванні розчинів різної рухомості. Показано, що рівень об'ємного ККД суттєво залежить від рухомості розчинів: чим вона менша, тим нижче об'ємний ККД. Установлено, що експериментальні залежності об'ємного ККД добре збігаються з теоретичними кривими, отриманими з урахуванням пружних властивостей розчинів.

8. Запропонований профіль кулачка забезпечує комбінований закон руху плунжера, що надає розчинонасосові рівномірну подачу протягом більшої частини циклу при помірних динамічних навантаженнях.

9. Дослідження впливу прискорення плунжера поблизу "мертвих" точок показали, що зростання прискорення позитивно впливає на ефективність спрацьовування кульових клапанів і рівень об'ємного ККД насоса.

10. Економічний ефект від упровадження розчинонасоса у будівельне виробництво становить 1424 грн. за рік.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ АВТОРОМ ПРАЦЬ

ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Направления конструирования средств малой механизации штукатурных работ / А. Г. Онищенко, В. Б. Надобко, Б. О. Коробко, Н. В. Шаповал // Прогресивна техніка і технологія машинобудування, приладобудування і зварювального виробництва: Праці Міжнародної науково-технічної конференції, присвяченої 100-річчю механіко-машинобудівного і 50-річчю зварювального факультетів, 25-28 травня 1998 р. – Том 1. – Київ: Національний технічний університет України “Київський політехнічний інститут”, 1998. – С. 94-99. (Особистий внесок здобувача: аналіз умов роботи розчинонасосів та впливу властивостей розчинів на процес перекачування).

2. Малоимпульсный дифференциальный растворонасос с кулачковым приводом / А. Г. Онищенко, В. У. Устьянцев, Б. О. Коробко, Н. В. Шаповал // Прогресивна техніка і технологія машинобудування, приладобудування і зварювального виробництва: Праці Міжнародної науково-технічної конференції, присвяченої 100-річчю механіко-машинобудівного і 50-річчю зварювального факультетів, 25-28 травня 1998 р. – Том 1. – Київ: Національний технічний університет України “Київський політехнічний інститут”, 1998. – С. 237-242. (Особистий внесок здобувача: розроблена конструктивна схема розчинонасоса та запропонований спеціальний профіль кулачка, який забезпечує рівномірну подачу при помірних динамічних навантаженнях).

3. Коробко Б. О. Оптимізація профілю кулачка приводу вертикального диференціального розчинонасоса // Збірник наукових праць (галузеве машинобудування, будівництво) / Полт. держ. техн. ун-т ім. Юрія Кондратюка. – Вип. 3. – Полтава: ПДТУ, 1998. – С. 11-22.

4. Онищенко О. Г., Васильєв А. В., Коробко Б. О. Вплив об'ємного розширення розчину на ефективність роботи розчинонасоса // Збірник наукових праць (галузеве машинобудування, будівництво) / Полт. держ. техн. ун-т ім. Юрія Кондратюка. – Вип.4. – Полтава: ПДТУ, 1999. – С. 3-9. (Особистий внесок здобувача: обґрунтовано вплив вмісту повітря на рівень розширення будівельних розчинів при зниженні тиску).

5. Кукоба А. Т., Коробко Б. О., Васильев А. В. Изменение объёма растворной смеси при перекачивании растворонасосом // Механизация строительства. – 2000. – № 3. – С. 26-29. (Особистий внесок здобувача: проведення експериментів та аналіз їх результатів для розчинів різної рухомості).

6. Онищенко О. Г., Кукоба А. Т., Коробко Б. О. Визначення коефіцієнта наповнення робочої камери розчинонасоса з комбінованим законом руху плунжера // Збірник наукових праць (галузеве машинобудування, будівництво) / Полт. держ. техн. ун-т ім. Юрія Кондратюка. – Вип. 5. – Полтава: ПДТУ, 2000. – С. 3-14. (Особистий внесок здобувача: обґрунтований механізм недозаповнення робочої камери насоса при всмоктуванні).

7. Онищенко О. Г., Васильєв А. В., Коробко Б. О. Взаємодія кульки клапана розчинонасоса з потоком перекачуваного розчину // Автомобильный транспорт: Сб. научн. трудов / Харьковский государственный автомобильно-дорожный технический университет. – Выпуск 5 / Совершенствование машин для земляных и дорожных работ. – Харьков: ХДТУ, 2000. – С. 116-118. (Особистий внесок здобувача: виконані експериментальні дослідження взаємодії кульки клапана з розчинами різної рухомості).

8. Онищенко О. Г., Васильєв А. В., Коробко Б. О. Визначення реологічних характеристик розчинів, перекачуваних розчинонасосами // Збірник наукових праць (галузеве машинобудування, будівництво) / Полт. держ. техн. ун-т ім. Юрія Кондратюка. – Вип. 6. – Полтава: ПДТУ, 2000. – С. 6-11. (Особистий внесок здобувача: експериментально визначені реологічні характеристики – структурованої в'язкості й граничного напруження зсуву).

9. Онищенко А. Г., Васильев А. В., Коробко Б. О. Методика учёта содержания воздуха в строительных растворах для повышения эффективности их транспортирования по трубопроводам // Механизация строительства. – 2000. – № 9. – С. 23-25. (Особистий внесок здобувача: встановлена залежність між максимальним стисненням будівельних розчинів і вмістом в них вільного повітря).

10. Онищенко А. Г., Васильев А. В., Коробко Б. О. Работа шарового клапана в проточном плунжере дифференциального растворонасоса // Проблемы создания новых машин и технологий. Научные труды КГПУ. Вып. 1/2001 (10). – Кременчуг: КГПУ, 2001. – С. 466-471. (Особистий внесок здобувача: створена математична модель роботи кульового нагнітального клапана).

11. Онищенко О. Г., Васильєв А. В., Коробко Б. О. Вивчення руху кульки вільнодіючого клапана диференціального розчинонасоса // Збірник наукових праць (галузеве машинобудування, будівництво) / Полт. держ. техн. ун-т. ім. Юрія Кондратюка. – Вип. 7. – Полтава: ПДТУ, 2001. – С. 3-8. (Особистий внесок здобувача: експериментально досліджений робочий процес кульового нагнітального клапана).

12. Пат. 98021903 Україна, МКИ F 04B 15/02. Малоімпульсний насос / О.Г.Онищенко, Б.О. Коробко, В.У.Уст'янцев. Заявл. 14.04.98; Опубл. 15.02.01. Бюл. №1. (Особистий внесок здобувача: запропонована конструктивна схема привода розчинонасоса).

13. Рішення про видачу патенту України за заявкою № 98031220. Малоімпульсний насос / О.Г.Онищенко, Б.О. Коробко, В.У.Уст'янцев. – Пріоритет 10.03.98 р. (Особистий внесок здобувача: розроблена конструкція розчинонасоса і профіль його кулачка).

АНОТАЦІЯ

Коробко Б.О. Дослідження робочих процесів розчинонасоса з комбінованим законом руху проточного плунжера. – 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, 2002.

Дисертаційна робота присвячена підвищенню ефективності процесу перекачування розчинонасосами будівельних сумішей різної рухомості. Цей процес розглядається на основі механізмів взаємодії перекачуваного середовища з елементами гідравлічної частини насоса з урахуванням пружних і реологічних властивостей розчинів, які певною мірою ускладнюють перекачування.

Розкрито причини прояву пружності розчину і розроблено методику їх кількісного оцінювання. На основі аналізу процесів прояву пружних властивостей, оцінювання реологічних характеристик і механізмів взаємодії потоку розчину з елементами насосної колонки запропоновано методику розрахунку об'ємного ККД розчинонасосів на стадії проектування.

Розроблено конструкцію диференціального розчинонасоса з комбінованим законом руху проточного плунжера, який володіє зменшеною пульсацією подачі, незначними сплесками динамічних навантажень на ланки привода в крайніх положеннях робочого ходу, скорочує час закриття клапанів.

На основі закономірностей проходження робочого процесу оцінено вплив комбінованого закону руху проточного плунжера на об'ємний ККД