3. Конструкторская часть

3.1. Характеристика современных вакуумных насосов

Для доения коров в доильных залах используются как пластинчатые, так и водокольцевые вакуумные насосы. Пластинчатые вакуумные насосы способны создавать лучший вакуум, просты в обслуживании, содержат малое количество деталей, работают плавно, меньше вибрируют, являются быстроходными. К недостаткам их можно отнести повышенную чувствительность к нарушению нормальных зазоров, сравнительно низкий механический КПД, повышенный шум и большое количество масла для смазки рабочих органов. Для уменьшения шума требуются различные глушители, которые к тому же малоэффективны, и специальные защитные устройства в виде заглубленных приямков.

Повышенный шум сказывается на продуктивности животных. Она уменьшается на 4%. Данные насосы оказывают вредное действие шумами, содержащими в своем составе большое число звуков средней и особенно высокой частоты (выше 800…1000 Гц). Наибольшие неприятности и раздражение нервной системы создают звуки высокой частоты. Звуки такой частоты от просачивания воздуха в пазу ротора со стороны нагнетания проявляются в качестве свиста. Кроме этого шум оказывает значительное влияние на физиологическое состояние обслуживающего персонала.

Жидкостно-кольцевые машины широко применяются в различных сферах народного хозяйства республики – производстве керамических изделий, переработке плодоовощной и молочной продукции, доении коров. Их конструкция простая, а износу подвергаются только подшипники, вал и его уплотнения. Поэтому эти машины долговечны в работе. Недостатком жидкостно-кольцевых машин является большой удельный расход мощности на вращение жидкостного кольца. Удельное энергопотребление ими достигает значительной величины – 0,04 кВтч/м³. Водокольцевые вакуумные насосы оказывают значительно меньшее шумовое давление и имеют практически мало изнашиваемый рабочий орган. У этих насосов потери мощности на вращение водяного кольца составляют 50%. Вызвано это обстоятельство трением водяного кольца об корпус самого вакуумного насоса. Во время работы ротационного насоса с обтекаемым жидкостным кольцом, вследствие наличия трения между корпусом и жидкостным кольцом, а также трения внутри самого жидкостного кольца, скорость вращения жидкостного кольца несколько меньше, чем скорость вращения лопаток ротора. Это приводит к нагреванию жидкостного кольца и корпуса машины, излишнему расходу энергии и ухудшает условия работ насоса.

3.2. Принцип действия водокольцевого вакуумного насоса

При вращении рабочего колеса 5 образуется жидкостное кольцо, которое под действием центробежной силы прижимается к внутренней поверхности корпуса 1. Вследствие эксцентричного расположения рабочего колеса 5 жидкостное кольцо отходит от втулки 5, увеличивая рабочий объем, в который через всасывающее окно 3 всасывается воздух (рис. 3.1).

Ячейка, образуемая внутренней поверхностью жидкостного кольца, поверхностью втулки 5 и лопатками 6, увеличивает свой объем до определенной величины угла поворота колеса. При этом происходит процесс всасывания. При дальнейшем повороте рабочего колеса происходит отсечение ячейки от всасывающего окна и начинается плавное сжатие попавшего в ячейку воздуха за счет уменьшения объема ячейки. При достижении в ячейке заданного давления (при повороте колеса на заданный угол) ячейка сообщается с нагнетательным окном 4, через которое сжатый воздух вытесняется в нагнетательную полость и выходит из машины. Производительность жидкостно-кольцевой машины оценивается величинами серпообразной площади, длины колеса и частоты вращения. Серпообразная площадь определяется диаметрами колеса и его втулки. Геометрические параметры колеса используют в виде конструктивной характеристики – отношения радиусов втулки и колеса. Это соотношение определяет размеры пространства для сжатия воздуха и величину потерь при входе воздуха в ячейку и выходе из нее. Малое значение отношения радиусов втулки и колеса – признак эффективной материалоемкости машины.

Рис. 3.1. Принципиальная схема водокольцевого вакуумного насоса

Эффективность геометрической характеристики рабочего колеса обуславливается значением эксцентриситета. Рациональная величина эксцентриситета обеспечивает минимальное погружение лопастей рабочего колеса в жидкость и, как следствие, высокую производительность и низкую удельную потребляемую мощность и материалоемкость. Чрезмерный эксцентриситет выводит лопасти из жидкостного кольца и увеличивает просачивание воздуха из нагнетательной полости во всасывающую через образовавшуюся щель и уменьшает производительность машины. Малый эксцентриситет является причиной большого погружения лопастей в жидкостное кольцо и уменьшения до 20% объема засасываемого воздуха.

Серпообразная площадь машины однократного действия формируется внутренним контуром жидкостного кольца и внешним контуром втулки. Увеличение кратности действия требует втулки большего радиуса для сохранения номинальной производительности. Это соотношение для машин двойного и однократного действия превышает 1,5. Такой подход, с одной стороны, сопровождается увеличением описанного объема и производительности машины, а, с другой стороны, увеличивает скорость концов лопаток колеса (свыше 13...15 м/с) при той же частоте оборотов. Кроме того, увеличение диаметра рабочего колеса повышает утечки воздуха по его торцевой поверхности и снижает величину рабочего диапазона давлений. Зазор между рабочим колесом и крышкой корпуса с всасывающими и нагнетательными окнами для всех типоразмеров машин составляет 0,1...0,25 мм. Его величина определяется качеством изготовления, чистотой поверхности и точностью сборки.

Больший диаметр увеличивает площадь этого сечения и величину утечек воздуха при его сжатии. А именно это свойственно машинам многократного действия. Относительную длину колес машин однократного действия выбирают в пределах 1,3...1,6. Такой подход обуславливается уменьшением проводимости более протяженных ячеек, задержкой части сжатого воздуха в них и последующим переносом его во всасывающую полость. Увеличение кратности действия машины пропорционально снижает продолжительность одного цикла всасывания и сжатия воздуха и требует уменьшения длины колеса. По этой причине, например, отношение длины колеса к его диаметру в машине двойного действия следует принимать 0,6...0,8. Длина колеса обратно пропорциональна числу оборотов. Соблюдение этого требования уменьшает замкнутый объем ячейки колеса. Объемный коэффициент полезного действия водокольцевого вакуумного насоса однократного действия достигает 0,7. Этот коэффициент для насосов двойного действия составит 0,49. Целью конструкторской разработки данного проекта является разработка водокольцевого вакуумного насоса.