СУМСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

БЕВЗ ОЛЕГ ВІКТОРОВИЧ

УДК 621.664

ПІДВИЩЕННЯ ТЕХНІЧНИХ ХАРАКТЕРИСТИК

ШЕСТЕРЕННИХ НАСОСІВ ТИПУ НШ ШЛЯХОМ УСУНЕННЯ КОМПРЕСІЇ РОБОЧОЇ РІДИНИ В ЗАТИСНУТОМУ ОБ'ЄМІ

Спеціальність 05. 05. 17 - Гідравлічні машини та гідропневмоагрегати

Автореферат дисертації

на здобуття наукового ступеня кандидата

технічних наук

Суми 2004

Дисертація є рукописом.

Робота виконана у Кіровоградському державному технічному університеті

Міністерства освіти та науки України.

Науковий керівник – кандидат технічних наук, доцент кафедри „Експлуатація та ремонт машин” Кіровоградського державного технічного університету КУЛЄШКОВ Юрій Володимирович.

Офіційні опоненти – доктор технічних наук, професор Лур’є Зіновій

Якович професор кафедри „Гідравлічні машини” Національного технічного університету „Харківський політехнічний інститут”

- кандидат технічних наук, доцент Ігнатьєв Олександр Савич, доцент кафедри „Прикладної гідроаеромеханіки” Сумського державного університету

Провідна установа – Національний технічний університет України „Київський політехнічний інститут” Міністерство освіти і науки України, м. Київ

Захист відбудеться “ 6 ” _липня_ 2004 р о 10-00 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради К 55.051.03 у Сумському державному університеті за адресою: 40007 м. Суми, вул. Римського-Корсакова, 2.

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Сумського державного університету за адресою: 40007 м. Суми, вул. Римського-Корсакова, 2.

Автореферат розіслано “ 2 ” _червня_ 2004 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Е.Н. Савченко

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ.

Актуальність теми. На сьогодні гідропривід залишається одним з найбільш перспективних технічних засобів передачі енергії. Аналіз тенденцій розвитку науки та техніки дає можливість з впевненістю стверджувати, що така тенденція збережеться і надалі.

Широке використання гідроприводу на машинах значно підвищує їх ефективність. Про це свідчить вже той факт, що гідропривід в першу чергу використовують на найбільш відповідальних машинах і механізмах, починаючи з таких галузей, як літакобудування, верстатобудування і закінчуючи такими, як гірнича техніка, будівельні і шляхові та сільськогосподарські машини. В більшості машин гідропривід використовують, як силові механізми, альтернативи яким по ефективності сьогодні немає. Крім того, гідропривід надає прямо таки унікальні можливості при автоматизації виробничих процесів.

Поява нових енергонасичених швидкісних машин пред’являє підвищенні вимоги до технічних характеристик та надійності гідросистем. Одним з основних елементів будь-якої гідросистеми є насос високого тиску, призначення якого перетворення механічної енергії в потенційну енергію робочої рідини. Насос в найбільшій мірі відповідає за ефективність роботи всієї гідросистеми. На долю насоса припадає найбільша кількість відмов. Як відомо на сьогоднішній день більш 18 % насосів, що використовується в гідроприводах – це шестеренні насоси типу НШ-У.

Одним з недоліків в роботі шестеренних насосів є явище компресії робочої рідини(КРР) в затиснутому об’ємі насоса. Це явище викликає ряд негативних наслідків в роботі насоса, а саме: різке підвищення тиску робочої рідини, яке в 1,2…1,5 рази перевищує номінальний, що викликає значні навантаження на деталі шестеренного насоса. Це знижує довговічність, як цих деталей, так і насоса в цілому. Одним з наслідків КРР є втрати робочої рідини, що призводить до зменшення, як коефіцієнту подачі (КП), так і об’ємної подачі (ОП) шестеренного насоса. Пульсація тиску веде до механічного коливання робочої рідини, що створює умови для підвищення шуму, який випромінює шестеренний насос.

Усунення компресії робочої рідини в затиснутому об’ємі шестеренного насоса беззаперечно сприятиме підвищенню ефективних показників роботи як самого насоса, так і гідравлічної системи в цілому, а отже проведення досліджень, які мають на меті усунення негативного впливу затиснутого об’єму, безумовно, своєчасні та актуальні.

Зв’язок роботи з науковими програмами та темами. Робота виконувалася у відповідності до плану науково-дослідницьких робіт Кіровоградського державного технічного університету (КДТУ) кафедри „Експлуатація та ремонт машин” за тематикою “Розробка і впровадження нових технологій в виробництво і ремонт сільськогосподарської техніки”. У дисертаційній роботі використано результати, одержані за участю автора в ході виконання держбюджетної НДР (замовник Міністерство освіти і науки України) за темою „Дослідження конструкції, технології, експлуатації та ремонту об’ємного гідроприводу сільськогосподарської техніки” у 2001-2002 роках (номер державної реєстрації 0101V002389).

Мета і задачі дослідження. Метою дослідження є підвищення технічних характеристик шестеренного насоса, шляхом усунення компресії робочої рідини в затиснутому об’ємі, яке ґрунтується на зміні параметрів зубчатого зачеплення насоса.

Виходячи із розробленої мети витікають наступні задачі дослідження.

1. Проаналізувати вплив компресії робочої рідини в затиснутому об’ємі шестеренного насоса на його технічні показники. Визначити технічний рівень способів і конструктивних рішень усунення наслідків компресії робочої рідини в затиснутому об’ємі.

2. Створити і дослідити аналітичні залежності поведінки затиснутого об’єму в процесі функціонування шестеренного насоса.

3. Встановити умови, при яких може бути усунена компресія робочої рідини в затиснутому об’ємі шестеренного насоса.

4. Втілити результати теоретичних досліджень умов, при яких усувається компресія робочої рідини в затиснутому об’ємі шестеренного насоса в конструктивне рішення.

5. Експериментально перевірити розроблені математичні залежності поведінки затиснутого об’єму в процесі роботи експериментального шестеренного насоса, в якому усунено компресію робочої рідини.

6. Розробити рекомендації по проектуванню та впровадженню в виробництво шестеренних насосів, в яких усунено компресію робочої рідини та дати його техніко-економічну оцінку.

Об’єкт дослідження - гідромеханічні процеси що відбуваються в затиснутому об’ємі шестеренного насоса.

Предмет дослідження – аналітичні залежності поведінки затиснутого об’єму від положення точки зачеплення на лінії зачеплення, вплив відсутності компресії робочої рідини на підвищення основних технічних характеристик шестеренного насоса.

Методи дослідження. Були розроблені загальна та частинні методики дослідження: методика теоретичних досліджень умов виникнення та усунення компресії робочої рідини в затиснутому об’ємі насоса; проектування, розробки та виготовленні експериментального шестеренного насоса, в якому усунено компресію робочої рідини; проведення експериментальних досліджень основних показників працездатності насоса по основним технічним характеристикам, порівняння отриманих результатів теоретичних та експериментальних досліджень; оцінки отриманих наукових результатів та реалізації їх на практиці у вигляді конструкції експериментального насоса та розробки рекомендацій та заходів щодо впровадження результатів досліджень у виробництво.

Теоретичні дослідження ґрунтувалися на методах та результатах отриманих такими дисциплінами, як механіка рідини і газу та гідравліки, базуючись на яких, була визначена компресія робочої рідини; теорія механізмів та машин, зокрема теорія зубчатого зачеплення, що в свою чергу базується на закономірностях евольвентою геометрії та методів математичного моделювання, завдяки яким були отримані аналітичні залежності затиснутого об’єму від положення точки зачеплення на лінії зачеплення; та з використанням теорії шестеренного насоса, що описує фізичні процеси, які виникають під час роботи шестеренного насоса.

Експериментальні дослідження визначення основних технічних характеристик насоса таких, як ОП, робочого тиску, КП, загального і механічного ККД, потужності і довговічності проводили на базі дослідницьких лабораторій ВАТ “Гідросила” м. Кіровограда. Необхідну точність вимірювання забезпечували використанням експериментальних установок, стендів, приладів та пристосувань відповідної точності за перевіреними методиками, що використовують при дослідженні нових конструкцій насосів, які забезпечують необхідну точність вимірювання.

Наукова новизна і значимість отриманих результатів. Дисертаційна робота відзначається безперечною новизною:

- вперше поставлена наукова задача, рішення якої направлене не на усунення наслідків компресії робочої рідини в затиснутому об’ємі качаючого вузла шестеренного насоса з зовнішнім зачепленням, а на повне виключення компресії і підвищення на цій основі технічних характеристик насоса (коефіцієнта подачі, загального ККД, об’ємної подачі, потужності і довговічності);

- вперше отримана аналітична залежність зміни затиснутого об’єму від положення точки зачеплення на лінії зачеплення та від співвідношення кількості зубців ведучої і веденої шестерні, яка дозволяє виявити умови, при яких момент утворення затиснутого об’єму співпадає з його мінімальним значенням, що по суті виключає компресію робочої рідини в затиснутому об’ємі;

- вперше теоретично обґрунтовано та експериментально доведено можливість створення шестеренного насосу типу НШ, в якому усунено КРР;

- вперше створена концепція конструювання шестеренного насоса, в якому відсутня КРР шляхом використання шестерень з асиметричною лінією зачеплення;

- вперше запропоновано спосіб дослідження поведінки затиснутого об’єму від положення точки зачеплення на лінії зачеплення в будь який момент, шляхом вимірювання затиснутого об’єму чисельними методами по його моделі, яка була створена в програмному середовищі.

Практичне значення одержаних результатів. Практичну цінність роботи станове:

- розробка нової конструкції шестеренного насоса з використанням зубчатого зачеплення з асиметричною лінією, яка забезпечує підвищення основних технічних характеристик і довговічність насосів шляхом усунення компресії робочої рідини в затиснутому об’ємі;

- створення нового конкурентноспроможного шестеренного насоса типу НШ з асиметричною лінією зачеплення, в якому відсутні передумови для компресії робочої рідини. Створення такого насоса дозволяє підвищити досконалість шестеренних насосів шляхом підвищення їх основних технічних характеристик, зокрема таких, як ОП, КП, загальний і механічний ККД, довговічність та зменшити рівень звукового тиску, що дозволить отримати певний техніко-економічний і соціальний ефект за результатами цих наукових досліджень.

Новизна розробленого методу підтверджена деклараційним патентом України № 59521 [88].

Нова конструкція насоса, в якому усунено компресію робочої рідини може бути з успіхом

використана при централізованому виробництві насосів при мінімальних витратах на підготовку до серійного виробництва.

Особистий внесок здобувача. Основні результати дисертаційної роботи отримані автором самостійно. Постановки проблеми і задач, їх аналіз виконано спільно з науковим керівником.

Особисто здобувачем:

- розроблені і дослідженні аналітичні залежності поведінки затиснутого об’єму в процесі функціонування шестеренного насоса;

- розроблено методику теоретичних досліджень умов виникнення та усунення компресії робочої рідини в затиснутому об’ємі шестеренного насоса;

- поставлено і вирішено наукову проблему виключення компресії робочої рідини в затиснутому об’ємі качаючого вузла шестеренного насоса.

Апробація результатів дисертації. Результати роботи доповідались на щорічних науково–технічних конференціях професорсько-викладацького складу Кіровоградського державного технічного університету (КДТУ) в 2000-2003 роках, на міжнародній науково-практичній конференції, присвяченій 10 річчю факультету технічного сервісу Харківського державного технічного університету сільського господарства (ХДТУСГ) (м. Харків 2001 р.), “Проблеми технічного сервісу сільськогосподарської техніки”, на 3-тій (м. Кіровоград листопад 2000 р) та 5-тій міжнародній конференції „Асоціації промислової пневматики і гідравліки” (м. Вінниця жовтень 2002 р), на Другій міжнародній науково-практичній конференції ХДТУСГ (м. Харків 2003 р.), “Проблеми технічного сервісу сільськогосподарської техніки”, на Першій міжнародній науково-технічній конференції „Машинобудування та металообробка - 2003” КДТУ (м. Кіровоград 2003 р.).

Публікації. За матеріалами дисертації опубліковано 5 статей у фахових виданнях, затверджених переліком ВАК України та отримано 2 патенти України № 42895 і № 59521.

Обсяг і структура роботи. Дисертація складається із вступу, 5 розділів, висновків, списку використаних джерел, 9 додатків. Повний обсяг дисертації складає 230 сторінок, з них 39 ілюстрації по тексту, 28 ілюстрації на 16 сторінках, 14 таблиць по тексту, 5 таблиці на 7 сторінках, 9 додатків на 42 сторінках, 91 найменування використаних джерел на 8 сторінках.

ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтована актуальність дисертаційної роботи, визначена мета, сформульовані задачі дослідження, визначені об’єкт та предмет дослідження, показана наукова новизна та практичне значення отриманих результатів, подані відомості про апробацію, публікації та структуру дисертації.

У першому розділі наведено результати аналітичного огляду літературних джерел за темою дисертаційного дослідження, встановлено технічний рівень існуючих конструктивних рішень по зменшенню негативного впливу компресії робочої рідини в затиснутому об’ємі та зменшення навантажень деталей насоса, які при цьому виникають на працездатність насоса.

Аналіз відомих способів розвантаження затиснутого об’єму в міжзубовому просторі шестеренних насосів дозволив зробити висновок, що більшість з них зводиться, або до з’єднання затиснутого об’єму з камерами нагнітання і всмоктування, або до зміни параметрів зачеплення з метою зменшення коефіцієнта перекриття до значення близького до одиниці, що при самих незначних зносах шестерень по зовнішньому діаметру веде до порушення працездатності насоса. Найбільшого поширення отримав метод каналізації рідини, який полягає в фрезеруванні спеціальних канавок на торцях ущільнюючих елементів – опорних втулках. Каналізація за допомогою радіальних свердлень в міжзубових впадинах і зубцях, хоча і ефективна, але застосовується рідше, що обумовлено значним ускладненням конструкції окремих деталей насоса та технології його виготовлення.

Проведений огляд і аналіз робіт вітчизняних та зарубіжних дослідників по визначенню впливу компресії робочої рідини в затиснутому об’ємі шестеренного насоса на його основні технічні характеристики показав, що це явище викликає додаткове навантаження на зубці і цапфи шестерень, опорні поверхні втулок. Це призводить до розкриття торцевих спряжень та викликає значне зниження ОП та КП насоса за рахунок різкого збільшення втрат рідини через торцеві зазори. Додаткове навантаження деталей насоса призводить до зниження довговічності, як окремих деталей , так і насоса в цілому.

Ґрунтуючись на проведеному аналізі була розроблена робоча гіпотеза, сформульована мета роботи та визначені основні задачі дослідження.

У другому розділі описана загальна методика досліджень, розроблена програма експериментальних досліджень, та розроблені частинні методики дослідження.

Експериментальні дослідження мають своєю метою перевірку основних теоретичних положень та висновків на практиці. Вихідними даними для розробки програми досліджень служила загальна методика досліджень і робоча гіпотеза, яка полягає в можливості уникнення компресії робочої рідини в затиснутому об’ємі шляхом використання в насосах шестерень з асиметричною лінією зачеплення, мета і задачі дослідження та розробка теоретичних передумов усунення затиснутого об’єму в насосах.

Експериментальне визначення характеру зміни величини затиснутого об’єму стикається зі значними труднощами. Тому в теоретичній частині роботи нами був запропонований спосіб вимірювання затиснутого об’єму чисельними методами по його моделі, яка була створена в програмному середовищі на ЕОМ.

Програма експериментальних досліджень передбачала проведення наступних досліджень:

- перевірку відсутності компресії робочої рідини в затиснутому об’ємі;

- визначення працездатності експериментального шестеренного насоса по основним технічним характеристикам: ОП, КП; механічному та загальному ККД;

- визначення довговічності та надійності експериментального насоса за результатами проведення прискорених стендових та експлуатаційних випробувань.

Для експериментального дослідження насоса з асиметричною лінією зачеплення використовували експериментальні установки, які були створені на базі балансирного стенда для дослідження технічних характеристик шестеренних насосів КПД-6.

Методика визначення основних технічних характеристик шестеренного насоса забезпечувала похибку при визначенні КП – 0,25 %, ОП – 0,36 %, загального ККД – 0,82 % і механічного ККД - 0,86 %.

При досліджені відсутності компресії робочої рідини в затиснутому об’ємі використовували тензометричний датчик тиску. Електричний сигнал від датчика тиску через провідники передавався на 4–ох канальний тензометричний підсилювач марки УТ-4-1, а з нього на шлейфовий осцилограф марки Н-115. Індикаторна діаграма тиску в западині ведучої шестерні візуалізувалась у вигляді осцилограми, та фіксувалась шляхом запису на світочуттєвій паперовій стрічці.

Величина похибки вимірювання тиску під час запису індикаторних діаграм не перебільшувала 5 %.

Установка для вимірювання шуму шестеренного насоса була створена на базі стенду для експериментального визначення основних технічних характеристик шестеренного насоса і складалася із стенду, мікрофону, експериментального насоса та шумоміра типу ВШВ – 003.

Для проведення прискорених стендових ресурсних випробувань шестеренних насосів використовували спеціальний стенд СИН-7. Прискорення випробовувань шестеренного насоса на стенді здійснювали шляхом спеціального забруднення робочої рідини абразивом та збільшенням циклів частоти включення–виключення шестеренного насоса.

Розроблені методики досліджень передбачали триразове повторення дослідів, при цьому похибка вимірювань, як правило, не перевершувала 0,86 %.

Експлуатаційні випробування експериментальних насосів НШ-32У-ЕА-79 з асиметричною лінією зачеплення проводили в господарстві Кіровоградської області. Випробуванням підлягали 5 насосів, які встановлені на основних видах техніки, яка використовується в сільськогосподарському виробництві. Визначення основних технічних характеристик проводили кожні півроку після напрацювання певної кількості мото-годин за загальноприйнятою методикою в умовах господарств. При цьому визначали КОП шестеренного насоса при номінальному тиску.

Третій розділ містить ґрунтовні теоретичні дослідження основних закономірностей поведінки затиснутого об’єму в зубчастому зачепленні шестеренного насоса.

Конструктивною особливістю будь-якого зубчатого зачеплення є наявність коефіцієнту перекриття більшого за одиницю. Це характеризується наявністю одночасного контакту двох пар зубців, між неробочими профілями яких утворюється затиснутий об’єм робочої рідини. Процес зменшення затиснутого об’єму призводить до виникнення такого негативного явища в роботі шестеренного насоса, як компресія робочої рідини в затиснутому об’ємі.

Традиційна схема існуючих конструкцій шестеренних насосів використовує зубчасте зачеплення з однаковою кількістю зубців, тобто з симетричною лінією зачеплення, яка має симетричне розташування по відношенню до кожної з шестерень, що є передумовою зменшення затиснутого об’єму на першій стадії процесу його зміни, негативним наслідком цього і є компресія робочої рідини.

Застосування зубчатого зачеплення шестерень з асиметричною лінією зачеплення (таке зачеплення утворюється при різних кількостях зубців ведучої та веденої шестерень) змінюється геометрія, як зубчатого зачеплення в цілому, так і затиснутого об’єму зокрема.

Для такої схеми зачеплення було знайдено аналітичну величину затиснутого об’єму та визначені закономірності його зміни від положення точки зачеплення.

Для цього знаходимо площу затиснутого об’єму, добуток якого на ширину зуба b і буде рішенням даної задачі (рис. 1).

(1)

Рис.1. Схема зубчатого зачеплення з асиметричною лінією для визначення

площ елементів:

, - площі обмежені профілями зубців, лінією зачеплення та відповідними основними колами; , - площі, обмежені колами впадин та основними колами на величині кроку відповідно ведучої та веденої шестерень; , - повні площі зубів ведучої та веденої шестерень

Використовуючи методи планіметрії, евольвентної геометрії, диференціального і інтегрального обчислення були знайдені складові залежності (1):

. (2)

. (3)

. (4)

. (5)

Повні площі зубців знаходили за формулами:

. (6)

, (7)

де і - радіуси кіл западин відповідно ведучої та веденої шестерень, мм;

і - кути вершини евольвенти, відповідно ведучої та веденої шестерень;

і - радіуси кіл виступів зубів відповідно ведучої та веденої шестерень;

і - кути зубчатого зачеплення шестерень насоса;

і - радіуси основних кіл відповідно веденої і ведучої шестерень, мм;

і - центральні кути, що наведені на рис. 1.

Підставивши формули (2), (3), (4), (5), (6) і (7) в формулу (1) отримали залежність площі затиснутого об’єму від величини (рис. 2) в загальному вигляді.

Рис.2. Схема пересування точки зачеплення першої пари зубців шестерень

в період існування затиснутого об’єму в зубчатому зачепленні з асиметричною лінією зачеплення з точки до точки

З рис. 2 бачимо, що величина - це відрізок лінії зачеплення, яка змінюється від моменту, коли нова пара зубців входить в зачеплення, якому відповідає значення до моменту, коли попередня пара зубців виходить з зачеплення, якому відповідає значення (див. рис. 2). Саме вивчення поведінки затиснутого об’єму на інтервалі і дало необхідну інформацію

для виявлення закономірностей поведінки затиснутого об’єму.

Після відповідних математичних перетворень аналітична залежність затиснутого об’єму від положення точки на лінії зачеплення в загальному випадку має наступний вигляд.

Аналіз виразу (8) показує, що залежність площі затиснутого об’єму від величини знаходження точки зачеплення на лінії зачеплення представляє собою квадратний трьохчлен.

(8)

При симетричній лінії зачеплення залежність затиснутого об’єму від положення точки х на лінії зачеплення графічно має форму параболи з симетричним розташуванням гілок. Оскільки, коефіцієнт при завжди позитивна величина, то з рівняння (8) бачимо, що ця парабола має вершину направлену донизу, а отже залежність (8) має мінімум.

Рис.3. Графічні залежності зміни величини затиснутого об’єму від

положення точки зачеплення на лінії зачеплення:

1 – з асиметричною лінією зачеплення; 2 – з симетричною лінією зачеплення

При цьому в момент утворення затиснутого об’єму його величина не є мінімальною (див рис. 3 крива 2). При пересуванні точки контакту х по лінії зачеплення величина затиснутого об’єму зменшується за квадратичним законом досягаючи свого мінімуму у вершині параболи. Саме зменшення затиснутого об’єму і викликає компресію робочої рідини, що є безспірним теоретичним доведенням наявності компресії робочої рідини в затиснутому об’ємі серійного шестеренного насоса. Подальше пересування точки х по лінії зачеплення сприятиме збільшенню затиснутого об’єму від мінімального значення до початкового, що характеризуватиметься зменшенням тиску.

Зовсім іншу картину спостерігаємо при теоретичному досліджені зміни затиснутого об’єму в зубчастому зачепленні з асиметричною лінією зачеплення (8), яка реалізується при умові, коли (див. рис. 3, крива 1). По-перше, змінилася форма параболи, яка характеризує величину затиснутого об’єму – в ній спостерігається лише одна гілка при наявності точки мінімуму. При цьому, точка мінімуму збігається з моментом утворення затиснутого об’єму. З цього витікає, що подальше пересування точки контакту по лінії зачеплення хоча і відбувається за законом параболи, але не призводить до зменшення його величини, що дозволяє виключити компресію робочої рідини.

У четвертому розділі наведені результати експериментальних досліджень експериментального шестеренного насоса з асиметричною лінією зачеплення (рис.4).

Рис. 4. Внутрішня будова експериментального шестеренного насоса з

асиметричною лініюю зачеплення, в якому усунено компресію робочої рідини:

1 – корпус; 2 – втулки; 3 – ведуча шестерня; 4 – відома шестерня; 5 – кришка;

6 - ущільнення; 7 – спеціальне ущільнення

За методикою наведеною в другому розділі експериментальні дослідження було поділено на наступні чотири групи: перевірку відсутності пікового навантаження в затиснутому об’ємі експериментального насоса з асиметричною лінією зачеплення, що є експериментальним підтвердженням відсутності компресії робочої рідини; визначення основних параметрів працездатності експериментального насоса, проведення стендових прискорених випробовувань з метою визначення довговічності експериментального насоса та перевірка працездатності експериментального насоса

в експлуатаційних умовах.

Експериментальне доведення відсутності компресії робочої рідини в затиснутому об’ємі шестеренного насоса з асиметричною лінією зачеплення здійснювали шляхом вимірювання і фіксації зміни тиску в міжзубовій западині. По отриманих в результаті експерименту осцилограмах були побудовані циклограми для експериментального рис. 5 і серійного рис.6 насосів при номінальних режимах роботи насоса: тиску Р=14 МПа і частоті обертання n = 32 об/хв.

Рис. 5. Циклограма залежності тиску Рис. 6. Циклограма залежності тиску

робочої рідини від кута повороту робочої рідини від кута повороту

ведучої шестерні експеримен- ведучої шестерні серійного

тального шестеренного насоса шестеренного насоса

Порівняльний аналіз циклограм (рис. 5 і 6) дає підстави стверджувати, що при використанні шестерень з асиметричною лінією зачеплення при переході міжзубової западини ведучої шестерні з камери нагнітання в камеру всмоктування тиск робочої рідини спадає плавно (рис. 5) без характерного для серійного шестеренного насоса сплеску тиску (рис. 6). Це є беззаперечним експериментальним доведенням відсутності компресії робочої рідини в затиснутому об’ємі експериментального шестеренного насоса.

З метою підтвердження працездатності експериментального шестеренного насоса досліджували вплив використання шестерень з асиметричною лінією зачеплення, які забезпечують усунення компресії робочої рідини в затиснутому об’ємі на основні технічні характеристики експериментального насоса.

За отриманими експериментальними даними були побудовані графічні залежності КП від тиску в камері нагнітання (рис. 7) для різної частоти обертання експериментального насоса в порівнянні з серійним. З порівняльного аналізу бачимо, що КП експериментального шестеренного насоса з асиметричною лінією зачеплення при номінальному тиску Р=14,0 МПа і частоті обертання n=32 об/с вище ніж у серійного на – 2,16 %, при тій же частоті і тиску Р=17,5 МПа - на 3,22%, при частоті обертання n=40 об/с і тиску Р=14,0 МПа на – 3,55 %, а для тиску Р=17,5 МПа на - 4,18 %.

Це пояснюється тим, що компресія робочої рідини в затиснутому об’ємі призводить до значного підвищення тиску робочої рідини у порівнянні з номінальним, що сягає 5 МПа. Це призводить до пульсуючого відкривання, як торцевого зазору насоса, так і зазору в стику втулок, що є причиною зниження КП в серійному насосі.

Аналіз експериментальних даних показав, що ОП експериментального шестеренного насоса перевищує ОП серійного насоса на 2,0...4,0 % в залежності від тиску і частоти обертання шестерень. Це пояснюється більшою величиною КП експериментального насоса з асиметричною лінією зачеплення по відношенню до базового.

Рис.7. Залежність КП насоса від тиску в його камері нагнітання при

різних частотах обертання шестерень

Визначали залежність загального ККД, шестеренного насоса з асиметричною лінією зачеплення від тиску для різних частот обертання. Ці залежності мають вигляд парабол і представлені на рис. 8 для експериментального насоса з асиметричною лінією зачеплення і на рис. 9 для серійного насоса. Загальний ККД експериментального шестеренного насоса (рис. 8) перевищує загальний ККД серійного насоса на 3,0...4,5 % в залежності від тиску і частоти обертання шестерень. Це пояснюється тим, що експериментальні шестеренні насоси мають більші значення КП і механічного ККД. Загальний ККД шестеренного насоса має оптимум, який лежить в межах 10...14 МПа.

Рис. 8. Залежність загального ККД шестеренного насоса з

асиметричною лінією зачеплення від тиску для різних частот

обертання насоса

Рис. 9. Залежність загального ККД шестеренного насоса з

симетричною лінією зачеплення від тиску для різних частот

обертання насоса

Рис. 10. Залежності механічного ККД від тиску для різної частоти обертів в

порівнянні з серійним насосом

Залежність механічного ККД експериментального шестеренного насоса від тиску, для різних частот обертання має вигляд параболи, яка досягає максимуму при тиску 10...15 МПа (див. рис. 9). Механічний ККД експериментального шестеренного насоса не залежить від частоти обертання та перевищує величину ККД серійного базового на 1 % в залежності від тиску. Пояснюється це більш сприятливими умовами роботи зубчатого зачеплення експериментального насоса з асиметричною лінією зачеплення в режимі редуктора в порівнянні з серійним.

За результатами експериментальних досліджень звукового тиску, який розвиває шестеренний насос було встановлено, що його рівень у експериментального насоса нижче ніж у серійного насоса на 6,5 %. Це пояснюється зниженням вібрацій деталей шестеренного насоса, які виникають при багатократній компресії робочої рідини в затиснутому об’ємі насоса серійного насоса.

Прискорені стендові випробовування виявили, що швидкість падіння КП шестеренного насоса нерівномірна і має тенденцію до зростання по мірі зношування деталей насоса. Було встановлено, що гама-процентний ресурс експериментального насоса з асиметричною лінією зачеплення становить 3451 годин, що перевершує гама-процентний ресурс серійного на 15,0 %. Це пояснюється зменшенням втомленої складової зносу деталей експериментального насоса, за рахунок уникнення компресії робочої рідини в його затиснутому об’ємі.

Перевірка технічного стану шестеренних насосів з асиметричною лінією зачеплення, через рік експлуатаційних випробувань показала наступні результати.

При середньому напрацюванні за рік 1100 мото-годин всі п’ять насосів, які поставлені на експлуатаційні випробування знаходяться в працездатному стані, забезпечують тиск, ОП і КП у відповідності до технічних вимог ГСТУ 3-25-180-97. Середні значення КП експериментальних шестеренних насосів з асиметричною лінією зачеплення лежать в межах 96...90 %, що в повній мірі відповідає технічним вимогам.

Вважаємо, що необхідно продовжити експлуатаційні випробовування шестеренних насосів з асиметричною лінією зачеплення до напрацювання ними запланованого технічного ресурсу.

У п’ятому розділі наведені рекомендації щодо використання результатів дослідження нової конструкції шестеренного насоса з асиметричною лінією зачеплення у виробництво.

Доведено, що промислове використання шестеренного насоса, що пропонується забезпечить значний економічний (за рахунок підвищення його основних технічних характеристик, зокрема КП, загального ККД і довговічності) і соціальний (за рахунок зниження шуму) ефект.

Впровадження конструкції шестеренного насоса НШ-32У-ЕА-79 з асиметричною лінією зачеплення на базі насоса НШ-32У-2 майже не потребує додаткових капітальних вкладень на переоснащення та освоєння виробництва.

Проведена техніко-економічна оцінка результатів промислового серійного впровадження розробленої конструкції і встановила, що економічний ефект від впровадження нової конструкції шестеренного насоса може скласти понад 3609170 грн., при програмі випуску 250000 шестеренних

насосів даної конструктивної схеми в рік.

ЗАГАЛЬНІ ВИСНОВКИ

1. Встановлено, що компресія робочої рідини, яка виникає під час зменшення затиснутого об’єму шестеренного насоса є причиною зниження основних технічних характеристик та довговічності.

2. Виконаний аналітичний огляд літературних джерел показав, що всі відомі конструктивні рішення направлені на усунення наслідків компресії робочої рідини в шестеренних насосах, а не на усунення цього шкідливого явища.

3. Отримані аналітичні залежності зміни затиснутого об’єму насоса, як функції положення точки зачеплення першої пари зубців на лінії зачеплення, дозволяє всебічно дослідити характер зміни цього об’єму, як для шестерень з симетричною так і для асиметричної лінії зачеплення.

4. Проведені теоретичні дослідження зубчатого зачеплення з симетричною лінією зачеплення, тобто при умові z1=z2 показали, що момент утворення затиснутого об’єму співпадає з його максимальним значенням, який при подальшому обертанні шестерень зменшується до мінімального значення, що і викликає явище компресії робочої рідини. При використанні зубчатого зачеплення з асиметричною лінією зачеплення утворення затиснутого об’єму співпадає з його мінімальним значенням, що створює умови виключення компресії робочої рідини взагалі.

5. Отримані результати математичного моделювання процесу зміни затиснутого об’єму на ЕОМ, а також експериментальні дослідження зміни тиску в кожний момент обертання шестерень в міжзубовій западині підтверджують результати теоретичних досліджень про відсутність компресії робочої рідини в затиснутому об’ємі шестеренного насоса.

6. Результати теоретичних і експериментальних досліджень дозволяють запропонувати концепцію конструювання шестеренного насоса зовнішнього зачеплення в якому відсутня компресія робочої рідини.

7. Експериментальні дослідження працездатності шестеренного насоса з асиметричною лінією зачеплення показали, що спроектований насос з асиметричною лінією зачеплення по основним технічним параметрам перевищує серійний НШ-32У-2: по коефіцієнту об’ємної подачі на 2,16...4,18 %, по загальному ККД на 3...4,5 %, по механічному ККД на 1 % в залежності від режимів, зменшення шуму на 6,5 %, що пояснюється відсутністю компресії робочої рідини.

8. Прискорені ресурсні та експлуатаційні випробування виявили, що ресурс - процентний ресурс () шестеренного насоса з асиметричною лінією зачеплення на 15,0 % перевершує ресурс серійного насоса. Згадані переваги шестеренного насоса з асиметричною лінією зачеплення можуть бути пояснені відсутністю компресії робочої рідини в затиснутому об’ємі насоса.

9. Достовірність отриманих результатів забезпечується ретельним підходом до постановки задач, розробкою робочої гіпотези, загальної і частинних методик дослідження. Використанням математичного апарату та елементів евольвентної геометрії в теоретичній частині. Окрім того, встановлення того факту, що в процесі зміни затиснутого об’єму відсутні умови для компресії робочої рідини було підтверджено різними підходами. Вибір неодноразово перевірених методик проведення експериментальних досліджень, які адекватно відповідають тим фізичним законам, які лежать в основі процесів і явищ, що вивчаються та визначення певних похибок вимірювання, що не перевищують 1 %. Все це може служити гарантом достовірності експериментальних досліджень.

10. Запропонована конструкція експериментального шестеренний насос з асиметричною лінією зачеплення прийнято до впровадження на Кіровоградському ВАТ „Гідросила”. При цьому, впровадження нової конструкції шестеренного насоса не потребує додаткових капітальних витрат, не потребує суттєвої зміни конструкції корпусних деталей, що значно полегшує його впровадження у виробництво.

11. Економічний ефект від впровадження шестеренного насоса з асиметричною лінією зачеплення та при існуючій програмі випуску насосів на ВАТ “Гідросила” 250000 шт. на рік (станом на 07.10.2002 р.) становить 3609170 грн. і може бути вагомим внеском у підвищення ефективності економіки нашої держави.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ РОБІТ, ЯКІ ВИСВІТЛЮЮТЬ ОСНОВНІ ПОЛОЖЕННЯ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Ю.В.Кулєшков, О.В. Бевз. Зниження від’ємного впливу затиснутого об’єму шляхом удосконалення зубчатого зачеплення. Збірник наукових праць КДТУ. Техніка в сільськогосподарському виробництві, галузеве машинобудування, автоматизація. - Випуск 9. - Кіровоград: КДТУ. - 2001.- С. 8 – 11.

Запропонований варіант конструкції шестеренного насоса, який дозволяє підвищити коефіцієнт подачі.

2. Ю.В. Кулєшков, О.В. Бевз. Аналіз існуючих способів усунення негативного впливу затиснутого об’єму на працездатність шестеренних насосів. Вісник Харківського державного технічного університету сільського господарства. Випуск № 8 “Підвищення надійності відновлюємих деталей машин”. Том 2 Харків 2001. С.13 – 17.

Проведений аналіз методів боротьби з затиснутим об’ємом.

3. Ю.В. Кулєшков, О.В. Бевз. Теоретичне обґрунтування усунення компресії робочої рідини в затиснутому об’ємі шестеренного насоса з асиметричною лінією зачеплення. Вісник Харківського державного технічного університету сільського господарства. Випуск № 15 “Підвищення надійності відновлюємих деталей машин”. Харків 2003 – С. 85 -92.

Отримані аналітичні залежності, які дозволили дослідити зміну компресії робочої рідини в затиснутому об’ємі.

4. Ю.В. Кулєшков, О.В. Бевз, О.О. Матвієнко, Г.В. Москаленко. Результати експериментального дослідження тиску в затиснутому об’ємі шестеренного насоса, в якому відсутня компресія робочої рідини. Збірник наукових праць КДТУ Техніка в сільськогосподарському виробництві, галузеве машинобудування, автоматизація. – Випуск 12. – Кіровоград: КДТУ - 2003.-С. – 301 -307.

Розроблена і зібрана експериментальна установка для визначення компресії робочої рідини в затиснутому об’ємі експериментального шестеренного насоса.

5. О.В. Бевз. Шестеренный насос, в котором предотвращается компрессия рабочей жидкости в защемленном объеме. Загальнодержавний міжвідомчий науково-технічний збірник КДТУ. Конструювання, виробництво та експлуатація сільськогосподарських машин. – Випуск 33. – Кіровоград: КДТУ – 2003. – С. 346 – 351.

Запропонований спосіб усунення компресії робочої рідини в затиснутому об’ємі шестеренного насоса з асиметричною лінією зачеплення.

6. Патент України № 42895 МКВ F04C2/08. Шестеренна гідромашина зовнішнього зачеплення. /Ю.В. Кулєшков, М.І. Черновол, В.С. Надєін, О.В. Бевз, Г.В. Москаленко/. Опубл. 15.11.2001., Бюл. № 10.

Розроблена шестеренна гідромашина зовнішнього зачеплення з асиметричною лінією зачеплення.

7. Деклараційний патент України № 59521 МКВ F04C2/08. Шестеренна гідромашина зовнішнього зачеплення. /Ю.В. Кулєшков, М.І. Черновол, О.О. Матвієнко, О.В. Бевз, Г.В. Москаленко/. Опубл. 15.09.2003., Бюл. № 9.

Розроблена шестеренна гідромашина зовнішнього зачеплення в якій кількість зубців ведучої шестерні менше ніж веденої.

АНОТАЦІЯ

Бевз О.В. „Підвищення технічних характеристик шестеренних насосів типу НШ шляхом усунення компресії робочої рідини в затиснутому об’ємі”. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.05.17 „Гідравлічні машини та гідропневмоагрегати”.

Дисертацію присвячено питанню підвищення технічних характеристик шестеренних насосів шляхом усунення явища компресії робочої рідини в затиснутому об’ємі.

Результати теоретичних та експериментальних досліджень процесів, що відбуваються в затиснутому об’ємі насоса було покладено в основу розробленого нового насоса з шестернями з асиметричною лінією зачеплення, в якому усунено компресію робочої рідини.

Спроектований насос з асиметричною лінією зачеплення по основним технічним параметрам перевищує серійний НШ-32У-2 по коефіцієнту подачі на 2,16...4,18 %, по загальному ККД на 3...4,5 %, по механічному ККД на 1 % в залежності від режимів. Гама - процентний ресурс = 90% шестеренного насоса з асиметричною лінією зачеплення на 15,0 % перевершує ресурс серійного.

Впровадження нової конструкції насоса майже не потребує додаткових капітальних витрат, не потребує суттєвої зміни конструкції корпусних деталей, що значно полегшує його впровадження у виробництво.

Ключові слова: шестеренний насос, затиснутий об’єм, зубчасте зачеплення, лінія зачеплення, асиметрична (симетрична) лінія зачеплення, компресія робочої рідини, довговічність, об’ємна подача, коефіцієнт подачі, загальний ККД, механічний ККД.

АНОТАЦИЯ

Бевз О.В. Повышение технических характеристик шестеренных насосов типа НШ путем устранения компрессии рабочей жидкости в защемленном объеме. – Рукопись.

Диссертация на соискание научной степени кандидата технических наук по специальности 05.05.17 „Гидравлические машины та гидропневмоагрегаты”.

Целью диссертации является существенное повышение технических параметров шестеренного насоса таких, как объемная подача, коэффициент подачи, общий и механический КПД, мощность и долговечность, а также снижение шума, который возникает во время работы шестеренного насоса путем устранения компрессии рабочей жидкости в защемленном объеме насоса.

Тщательный анализ литературных и иных источников показал, что все известные конструктивные решения направлены на устранение последствий компрессии рабочей жидкости в защемленном объеме, однако самого явления компрессии рабочей жидкости не устраняют.

Для реализации поставленной цели исследований была разработана общая методика исследований, которая включает в себя разработку и проверку рабочей гипотезы, теоретическое обоснование способа устранения компрессии рабочей жидкости, разработку и создание шестеренного насоса с асимметричною линией зацепления, в котором исключена компрессия рабочей жидкости, экспериментальное доказательство отсутствия компрессии рабочей жидкости, разработку частных методик и экспериментальные исследования работоспособности шестеренного насоса, с асимметричной линией зацепления, в котором исключена компрессия рабочей жидкости, сравнение полученных результатов теоретических и экспериментальных исследований, разработка рекомендаций по внедрению результатов исследований в производство.

Достоверность полученных результатов обеспечивается тщательным подходом при постановке задач, разработкой рабочей гипотезы, общей и частных методик исследования, использованием математического аппарата дифференциального и интегрального исчисления и элементов эвольвентной геометрии в теоретической части. Кроме того, установление факта отсутствия компрессии рабочей жидкости в защемленном объеме было подтверждено двумя разными подходами. Выбор неоднократно проверенных методик экспериментальных исследований, которые адекватно отображают те физические законы лежащие в основе процессов и явлений, которые изучаются и определенная погрешность измерений, которые не превышают 5 %. Все это может служить гарантом достоверности экспериментальных исследований.

Поставленная цель была достигнута благодаря углубленному теоретическому и экспериментальному исследованию процессов и явлений, которые происходят в защемленном объеме шестеренного насоса. Полученные аналитические зависимости позволили глубоко исследовать характер изменения защемленного объема в зависимости от положения точки зацепления. При этом было установлено, что при использовании шестерен с симметричной линией зацепления момент образования защемленного объема совпадает с его максимальным значением и дальнейшее его изменение сопряжено с его уменьшением, что и является причиной компрессии рабочей жидкости. Особенностью насосов с шестернями с асимметричной линией зацепления является то, что момент образования защемленного объема совпадает с его минимальным значением. При дальнейшем изменении этого защемленного объема, возможно, только его увеличение, что исключает компрессию рабочей жидкости.

Эти теоретические положения были подтверждены путем моделирования поведения защемленного объема в программной среде ЭВМ и