Міністерство освіти і науки України

Полтавський державний технічний університет

імені Юрія Кондратюка

Кукоба Анатолій Тихонович

УДК 693.6.002.5

Гідроприводний розчинонасос подвійної дії

05.05.02 – Машини для виробництва будівельних матеріалів і конструкцій

Автореферат дисертації

на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Полтава – 2000

Дисертація є рукописом

Робота виконана в Полтавському державному 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 експлуатації та ремонту будівельних

машин Київського національного технічного

університету будівництва та архітектури

Міністерства освіти і науки України

Назаренко Іван Іванович, –

доктор технічних наук, професор, завідувач

кафедри конструювання машин і технологічного

обладнання Кременчуцького державного

політехнічного інституту

Маслов Олександр Гаврилович.

Провідна установа: Харківський державний технічний університет

будівництва та архітектури, кафедра механізації

будівельних процесів.

Захист відбудеться 18.10. 2000 року, о 1300, на засіданні спеціалізованої вченої ради К 44.052.01 Полтавського державного технічного університету імені Юрія Кондратюка за адресою: 36601, м. Полтава, Першотравневий проспект, 24 (зала засідань – аудиторія 218)

Автореферат розісланий 15.09. 2000 року.

Учений секретар

спеціалізованої вченої ради

кандидат технічних наук, доцент М.П. Нестеренко

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. У будівництві до найбільш трудомістких процесів належать оздоблювальні операції, що пов’язані з використанням будівельних розчинів. Для їх механізації створюються штукатурні станції й розчинонасоси різних конструкцій. Останнім часом намітилась тенденція впровадження достатньо економічних штукатурних станцій із гідравлічним приводом. Так, у штукатурній станції СШ–4 конструкції Полтавського державного технічного університету два гідроциліндри застосовуються для опускання і підйому бункера змішувача, який приймає розчин із кузова автосамоскида. В штукатурній станції СО–114 Мінського НДІБМІ за допомогою гідропривода переміщується спеціальний струг. Указані станції обладнані розчинонасосами з механічними приводами, а масляні насосні установки, які є у складі цих станцій, використовуються вкрай неефективно – вони вмикаються протягом зміни лише короткочасно по кілька разів.

Тому застосування в таких станціях гідроприводних розчинонасосів дасть змогу підвищити ефективність використання масляних насосних установок, зменшити встановлену електричну потужність станції, її габарити й масу. Крім того, гідравлічний привод розчинонасосів може надати їм такі переваги, як мала пульсація подачі розчину, можливість передачі великих робочих зусиль при малих розмірах деталей привода, висока надійність у роботі за рахунок повної відсутності бічних зусиль на тертьових деталях поршневої групи насосної колонки, надійність захисту від перевантажень розчинонасоса і трубопроводів, зручність обслуговування.

Гідроприводний розчинонасос, обладнаний власною масляною насосною установкою, може використовуватись у складі будь-якої штукатурної станції або автономно. При його застосуванні у штукатурній станції з гідроприводами остання не потребує окремої маслонасосної установки, оскільки її гідроприводи можуть бути підключені безпосередньо до розчинонасоса.

Особливо цінною властивістю гідроприводного розчинонасоса є можливість плавного регулювання подачі розчину як у ручному, так і в автоматичному режимі, зокрема безпосередньо з робочого місця штукатура.

Однак застосування малоімпульсних розчинонасосів із гідравлічним приводом стримується через недостатність дослідження робочих процесів та відсутність нових високопродуктивних конструкцій.

У зв’язку з цим можна вважати, що дослідження із створення малоімпульсного розчинонасоса подвійної дії з гідравлічним приводом, які виконані в дисертації, є актуальними.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Тематика виконаних у дисертації досліджень уключена в план фундаментальних розроблень міжвузівської програми "Скорочення ручної праці в будівництві", затвердженої Міністерством освіти і науки України, й виконувалася відповідно до розробленої Полтавським державним технічним університетом імені Юрія Кондратюка держбюджетної науково-дослідної теми "Теоретичне та експериментальне оцінювання пружних властивостей перекачуваних середовищ із метою підвищення ефективності створюваних засобів механізації опоряджувальних робіт у будівництві".

Мета і завдання дослідження. Метою роботи є теоретичні дослідження та визначення параметрів робочого процесу запропонованої конструкції, оцінювання впливу пружних властивостей будівельних розчинів на стабільність роботи розчинонасоса;

експериментальні дослідження основних параметрів розчинонасоса в умовах взаємодії з характеристиками будівельних сумішей і оцінювання теоретичних результатів;

розроблення методики розрахунку, створення нової конструкції розчинонасоса з гідроприводом, упровадження створеної конструкції розчинонасоса у виробництво та оцінювання його ефективності.

Для досягнення цієї мети в дисертаційній роботі розв’язувалися такі завдання:–

обґрунтування та розроблення нової конструктивної схеми диференціального розчинонасоса подвійної дії з гідравлічним приводом проточного поршня;–

розроблення математичної моделі роботи приводного гідроциліндра автоматичної дії і насосної колонки.

Методи дослідження. Теоретично й експериментально досліджувалися закон руху робочого органа насоса та пружність будівельних розчинів різної рухомості. Стабільність роботи гідроприводного розчинонасоса вивчалася шляхом перекачування розчинів різної рухомості в усьому робочому діапазоні тиску. Процеси, що відбуваються в різних камерах розчинонасоса, вивчалися за кривими запису зміни тиску масла і розчину, руху золотника керування та клапанів разом з рухом поршня. Об’ємний ККД визначався шляхом заповнення мірної ємності.

Наукова новизна одержаних результатів–

Уперше запропоновано і математично обґрунтовано просту гідравлічну схему керування автоматичною роботою гідроциліндра привода поршня розчинонасоса.–

Досліджений вплив гідравлічного привода поршня й рухомості перекачуваного розчину на характер спрацьовування кульових клапанів та процесів, що відбуваються в різних камерах розчинонасоса.–

Теоретично обґрунтований й експериментально підтверджений механізм пружності будівельних розчинів як основної характеристики перекачуваного середовища та вивчена її залежність від рухомості розчинів.–

Виявлено новий ефект впливу пружності перекачуваних розчинів на рівень стабільності роботи автоматично діючого гідроциліндра зворотно-поступального руху, що містить гідравлічну систему керування зі зворотним зв’язком.–

З використанням даного ефекту розроблено нову систему керування автоматичною роботою гідроциліндра, яка не є чутливою до пружності перекачуваного середовища.

Обґрунтованість і достовірність наукових положень, висновків і рекомендацій забезпечена коректністю математичної моделі, використанням стандартних припущень і підтверджується збігом теоретичних та експериментальних досліджень при відхиленні фактичних і розрахункових даних не більше від 10%. Достовірність експериментальних даних при визначені робочого процесу забезпечувалася необхідною кількістю повторів вимірів та позитивними результатами випробувань у виробничих умовах.

Наукове значення роботи. Вивчена взаємодія між гідроприводним робочим органом розчинонасоса та перекачуваним в’язким середовищем, що має пружні властивості. Одержані результати дозволяють виконувати комплексний аналіз ефективності розроблюваної техніки.

Практичне значення одержаних результатів. Практична цінність роботи полягає у розробленні методів розрахунку та принципів створення високоефективних малоімпульсних розчинонасосів подвійної дії з гідравлічним приводом. Упроваджено ефективну систему охолодження робочої рідини (масла) гідропривода за рахунок теплообміну між цією рідиною і перекачуваним середовищем (рішення Науково-дослідного центру патентної експертизи Держпатенту України про видачу патенту на винахід № 98126517 від 15.03.2000). Створений дослідно-виробничий зразок розчинонасоса пройшов успішне випробування на виробництві, і за рішенням експертної комісії робочі креслення передані ВАТ "Полтавський турбомеханічний завод" для виготовлення першої партії розчинонасосів нової конструкції.

Результати дисертаційної роботи використовуються при розробленні держбюджетної тематики, затвердженої Міністерством освіти і науки України, а також у навчальному процесі при підготовці спеціалістів зі спеціальності "Підйомно-транспортні, будівельні, дорожні і меліоративні машини та устаткування", у курсовому та дипломному проектуванні.

Особистий внесок здобувача. Особистий вклад автора полягає у розробленні: принципово нової конструктивної схеми гідроприводного розчинонасоса з ефективною системою охолодження масла, математичної моделі роботи гідропривода розчинонасоса та експериментального дослідження робочого процесу; теоретичному обґрунтуванні й експериментальному підтвердженні пружних властивостей розчинів різної рухомості та встановленні їх впливу на характер роботи гідроприводного розчинонасоса; виконанні вдосконалення золотникового розподільника гідроциліндра з метою усунення чутливості до пружності перекачуваних розчинів, методики розрахунку гідроприводного розчинонасоса; організації та проведенні виробничих випробувань дослідно-виробничого зразка гідроприводного розчинонасоса.

Апробація результатів дисертації. Основні положення і результати дисертаційної роботи доповідались та були схвалені в період 1996 – 2000 рр. на наукових семінарах і науково-практичних конференціях викладачів, аспірантів та студентів Полтавського державного технічного університету, Харківського державного технічного університету будівництва та архітектури, Харківської державної академії міського будівництва.

Публікації. За темою дисертаційної роботи опубліковано сім друкованих праць і отримано позитивне рішення на видачу патенту України на винахід.

Структура і обсяг дисертації. Дисертація складається із вступу, чотирьох розділів, висновків, переліку використаних літературних джерел із 159 найменувань і 4 додатків на 38 сторінках. Обсяг дисертації складає 141 сторінку машинописного тексту. Вона містить 45 рисунків і 9 таблиць.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

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

У першому розділі охарактеризовані основні конструкції розчинонасосів і шляхи їх удосконалення відповідно до вимог сучасної технології оздоблювальних робіт у будівництві. Дослідженням у напрямі механізації технологічних процесів подачі по трубопроводах до робочих місць і нанесення на оброблювані поверхні будівельних розчинів присвячені праці таких відомих учених, як С.І. Алексєєв, М.І. Альошин, С.С. Абель, Ю.М. Баженов, В.Л. Баладинський, С.Д. Білоусов, Ю.І. Бєляков, М.С. Болотських, В.М. Євстифєєв, М.М. Завражин, Г.В. Івянський, М.С. Канюка, О.М. Ливінський, В.С. Ловейкін, В.Б. Надобко, І.І. Назаренко, О.Г. Онищенко, С.П. Парфенов, В.Й. Сівко, Є.С. Стайченко, В.Д. Топчій, В.У. Уст’янцев, Ю.П. Чирков, В.Б. Яковенко та багатьох інших.

При аналізі існуючих конструкцій розчинонасосів особливу увагу приділено гідроприводним насосам, показані такі переваги їх перед насосами з механічним приводом, як високий ККД, надійність у роботі, рівномірність подачі, можливість безступінчастого регулювання подачі, тривалий термін служби, простота виготовлення, зручність експлуатації, малі розміри й маса. Завдяки вказаним перевагам, будівельна техніка з гідравлічним приводом для транспортування малорухомих сумішей по трубопроводах знайшла за кордоном широке впровадження.

Особливий інтерес викликає застосування гідроприводного розчинонасоса у складі штукатурних станцій, обладнаних гідроприводами і масляними насосними установками, що дає можливість підвищити ефективність використання вказаних установок.

Але аналіз гідроприводних розчинонасосів, виконаний за даними літературних джерел, свідчить про те, що існуючі конструкції таких машин мають суттєві недоліки, які стримують широке впровадження гідравлічних приводів у насособудуванні. Недостатньо розв’язана також проблема охолодження робочої рідини (масла), яка інтенсивно нагрівається під час тривалої роботи гідропривода.

Оскільки серед розчинонасосів, що мають механічний привод, найбільш перспективним виявився диференціальний розчинонасос типу РН-2:4 з проточним поршнем, в дисертації запропонована ідея створення вертикально-поршневого диференціального розчинонасоса з гідравлічним приводом проточного поршня, який працює за принципом подвійної дії та забезпечує малоімпульсну подачу розчинів. Такий насос має бути обладнаний насосною установкою й ефективним пристроєм охолодження масла.

У розділі 2 показано, що для створення такого насоса спочатку був розроблений двохпоршневий гідроциліндр зворотно-поступального руху, автоматична робота якого здійснювалась за допомогою гідророзподільника з двома золотниками. З використанням двохпоршневого гідроциліндра був виготовлений експериментальний зразок диференціального розчинонасоса з проточним поршнем, стендові випробування якого підтвердили працездатність гідравлічного привода автоматичної дії. Але конструкція двохпоршневого гідроциліндра виявилася досить складною й нетехнологічною, тому в подальшому був розроблений варіант більш простого за конструкцією і компактного однопоршневого гідроциліндра з двома диференціальними золотниками. На основі добре апробованої насосної колонки з диференціальним проточним поршнем та однопоршневого гідроциліндра створений гідроприводний розчинонасос, схема якого наведена на рис.1.

Гідроприводний розчинонасос містить масляний бак 1, в якому герметично вварений усмоктувальний патрубок 2 з теплообмінними пластинами 3. На кришці бака змонтований шестеренний маслонасос 4 марки НШ-32, електродвигун 5 із муфтою 6, запобіжний клапан 7 і насосна колонка 8 диференціального типу з проточним поршнем 9. Гідроциліндр 10 установлений на насосній колонці співвісно з нею. Штоки поршнів насосної колонки й гідроциліндра з’єднані за допомогою рознімного хомута 11. Керування автоматичною роботою гідроциліндра виконує гідророзподільник 12, що має два диференціальні золотники – золотник керування 13 із хвостовиком 14 і основний золотник 15. На всмоктувальній та напірній лініях масла встановлені сітчасті фільтри 16. Для вимірювання тиску масла (а через масло й розчину) служить манометр 17. Штокова порожнина гідроциліндра постійно з’єднана з лінією напору, тому золотниковий гідророзподільник, що керує тільки поршневою порожниною, має досить просту конструкцію.

Під дією масла високого тиску поршень гідроциліндра, керований золотниками 13 і 15, буде автоматично виконувати зворотно-поступальний рух із постійною швидкістю, а насосна колонка – рівномірно подавати в патрубок 19 перекачуваний розчин. Масло, що нагрівається при роботі гідропривода, інтенсивно охолоджується в масляному баку завдяки теплообміну з холодним перекачуваним розчином.

Рис. 1. Схема гідроприводного розчинонасоса

Більш детально робота гідроприводного розчинонасоса описана за допомогою математичної моделі, в якій цикл роботи розбитий на 8 фаз – по 4 фази на хід поршня вгору і вниз. Під час ходу поршня вгору це будуть такі фази: 1 – розгін поршня від нижньої мертвої точки до робочої швидкості; 2 – рівномірний рух поршня до зустрічі із золотником керування; 3 – рух поршня разом із золотником керування до початку відкривання щілини, що з’єднує порожнину 18 з лінією напору; 4 – гальмування поршня до повного зупинення. Далі йде остаточне переключення основного золотника, яке відбувається при нерухомому поршні.

Розглянемо першу фазу – розгін поршня від нижньої мертвої точки. Система диференціальних рівнянь, що описують цю фазу, має такий вигляд (порядок складання рівнянь і їх розв’язання детально обґрунтований у дисертації):

(1)

де – маса рухомих металевих частин; – сила витискування масла на злив із поршневої порожнини гідроциліндра; – прискорення земного тяжіння; і – відповідно площі поршня й перетину штока гідроциліндра; – коефіцієнт об’ємної деформації масла; – подача масла.

Розв’язання системи рівнянь (1) у дисертаційній роботі виконано за спеціальною методикою у вигляді суми часткового рішення