JUSTIFICATION THE FEASIBILITY OF USING SINGLE-PISTON MORTAR PUMP WITH A COMBINED COMPENSATOR OF INCREASED EFFICIENCY

Емельянова И.А.¹,  Шаповал Н.В.²

¹доктор технических наук, профессор, Харьковский национальный технический университет строительства и архитектуры; ²соискатель, Полтавский национальный технический университет имени Юрия Кондратюка

ОБОСНОВАНИЕ ЦЕЛЕСООБРАЗНОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ОДНОПОРШНЕВОГО РАСТВОРОНАСОСА С КОМБИНИРОВАННЫМ КОМПЕНСАТОРОМ ПОВЫШЕННОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ

Аннотация

Рассмотрено конструктивные особенности растворонасоса с компенсатором повышенной эффективности.

Ключевые слова: растворонасос, компенсатор, давление, пульсация.

Yemelyanova I.A.¹, Shapoval N.V.²

¹PhD in Engineering, professor, Kharkov National Technical University of Construction and Architecture; applicant, Poltava National Technical University named after Yuriy Kondratyuk

JUSTIFICATION THE FEASIBILITY OF USING SINGLE-PISTON MORTAR PUMP WITH A COMBINED COMPENSATOR OF INCREASED EFFICIENCY

Abstract

Design features of mortar pump with a compensator of improved efficiency.

Keywords: mortar pump, compensator, pressure, pulsation.

При строительстве домов и сооружений для равномерного нанесения на стены штукатурных растворов  можно использовать однопоршневой растворонасос одинарного действия [1] (рис. 1), который имеет механический привод при наличии кривошипно-шатунного механизма и комбинированный компенсатор давления, обеспечивающий сниженную пульсацию подачи раствора в нагнетательный трубопровод.

Полтавским национальным техническим университетом имени Юрия Кондратюка в сотрудничестве с Харьковским национальным техническим университетом строительства и архитектуры разработана новая конструкция растворонасоса на базе однопоршневого растворонасоса РН-3,8 (ПолтНТУ), который имеет увеличенный объём компенсатора, положительно влияющий на степень пульсации при перекачивании растворов различной подвижности.

Растворонасос (рис.1) содержит: электродвигатель 1, который через ременную передачу 2, одноступенчатый цилиндрический редуктор 3 передаёт крутящий момент на кривошипный вал 4, кривошипно-шатунного механизма 5, всасывающую камеру 6, в середине которой размещена специальная цилиндрическая вставка 7, со срезом сегментной формы и имеющей касательную хорду под углом 45°; нагнетательную рабочую камеру 8 с патрубками всасывающим 9 и нагнетательным 10; всасывающий свободно действующий 11 и нагнетательный подпружиненный 12 шаровые клапаны, рабочий цилиндр 13 с поршнем 14 и ползуном 15, штоковую полость 16, которая заполнена промывной жидкостью (мыльно-масляно-водной эмульсией).

Растворонасос имеет комбинированный воздушный компенсатор давления, который состоит из цилиндрической камеры 17, соединенной с нагнетательной камерой, замкнутой камеры 18, состоящей из эластичного резинотканевого шланга, который закреплен к штуцеру узла подкачки воздуха 19 и расположенный по диаметру свободной камеры на специальных ограничителях. В замкнутой камере установлен ниппель 20 для закачки воздуха под давлением 0,5...0,7 МПа с помощью компрессора. По центру цилиндрической камеры на направляющем стержне 21 предусмотрен поплавок-ограничитель 22, который обеспечивает минимальное удаление воздуха из этой камеры.

Рис. 1 - Однопоршневой растворонасос с комбинированным компенсатором увеличенного объёма

В штоковой полости установлены канальные патрубки 23, 24, которые обеспечивают интенсивное промывание, охлаждение поверхности плунжера и стекание дисперсного абразива в специальные карманы ее нижней части.

За счёт наличия двух пар колёс 25, 26 растворонасос может свободно передвигаться по строительной площадке.

Сравнительные аналитические исследования работы растворонасосов с одинаковыми законами движения рабочего органа [1] выполнены при условии, что в насосах поршень приводится в движение от кривошипно-шатунного механизма, в котором ось вала кривошипа смещена вниз относительно оси поршня на величину e (рис. 2).

Движение поршня (точка В, рис. 2) рассматривается в системе координат x,y в зависимости от угла поворота вала кривошипа φ (см. движение точка А, рис. 2).

В связи с тем, что шатун l при повороте кривошипа будет изменять угол своего наклона к горизонтали α, его горизонтальная проекция меньше длины шатуна l на величину

Поэтому координата x положения поршня (точка В), измеряемая от левого крайнего положения точки В (φ=0), может быть представлена как

где R – радиус кривошипа; l – длина шатуна; e – величина смещения оси кривошипа по высоте относительно оси поршня.

Рис. 2 - Расчётная схема кривошипно-шатунного механизма

Тогда ход поршня (точка В) на нагнетание раствора в течение полного цикла работы растворонасоса будет (при φ=0…2π):

то есть в такте нагнетания (π≤φ≤π) одна часть перекачиваемого раствора будет поступать в нагнетательный трубопровод, а вторая его часть будет заполнять камеру воздушного компенсатора, уменьшая объем этой камеры на величину ΔV₁.

Исходя из выше сказанного, для определения углов ”мертвых” точек, а также для определения точек, в которых скорость рабочего органа равна нулю, необходимо определить положение точек начала и конца такта нагнетания. С этой целью уравнение (3) движения поршня (точка В) продифференцировано по углу φ, что позволило получить зависимость скорости перемещения поршня от угла поворота кривошипа (рис. 3)

             

Рис. 3 - График зависимости перемещения поршня (точка В) а) и его скорости б) от угла поворота кривошипа

При подстановке уравнение (4) геометрических параметров сконструированного привода R=40 мм, l=200 мм, e=20 мм и равенстве xʹ_B=0, уравнение (4), или позволило впоследствии определить углы φ₁=7,18° и φ₂=175,22°.

В такте нагнетания осуществляются два процесса – увеличение объема раствора в компенсаторе и уменьшение этого объема за счет подачи части раствора в нагнетательный трубопровод.

Допускается, что подача раствора в течение цикла не изменяется. При этом, условия изменения объема сжатого воздуха в компенсаторе с учётом угла  можно представить как

где ΔV₁, ΔV₂ – изменения объёма раствора (или сжатого воздуха), что компенсируется в течении полуцикла всасывания и нагнетания; h_n – полная величина хода поршня.

В соответствии с законом Бойля-Мариотта

где V_φ – текущий объем сжатого воздуха в компенсаторе при угле φ; V_комп  – приведенный к нормальным условиям (p=0,1 МПа) объем воздуха в компенсаторе; p_φ – давление сжатого воздуха (и раствора) при угле φ, МПа.

Изменение объема раствора сжатого воздуха в камерах комбинированного компенсатора в течение полного цикла работы растворонасоса представлено на рис. 4.

Рис. 4 - Изменение объема раствора в компенсаторе: 1 – зависимость от перемещения поршня, 2 – зависимость от подачи в трубопровод, 3 – суммарное изменение объема

При этом, кривая 1 этого рисунка изображает подачу раствора в первую камеру компенсатора от поршня в такте нагнетания. Эта подача определяется выражением F_n·x₁.

Из графиков на рис. 4 видно, что практически часть объёма раствора, выдаваемая поршнем в такте нагнетания на подачу раствора поступает в трубопровод, а другая его часть – в цилиндрическую камеру комбинированного компенсатора, тем самым уменьшая в ней объём сжатого воздуха и увеличивая величину давления (в соответствии с законом Бойля-Мариотта).

В таком случае степень пульсации давления  может быть определена согласно формуле [2]

где p_max,p_min,p_cp –максимальное, минимальное и среднее давление, при котором осуществляется подача раствора в трубопровод.

Приведенный к атмосферным условиям объём воздуха в комбинированных компенсаторах может быть определён как

где V_цк – объём свободного воздуха в цилиндрической камере компенсатора, дм³; V_зк  – объём сжатого воздуха в замкнутой камере компенсатора, дм³; p – давление сжатого воздуха в замкнутой камере компенсатора, кг/см².

Суммарный объём сжатого воздуха в обеих камерах в начале цикла работы растворонасоса определяется как

Максимальное давление раствора (сжатого воздуха) за цикл определяется по формуле

Согласно полученным зависимостям (7), (8), (9), (10) определяются численные значения степени пульсации, которые приведены в табл.1.

Таблица 1 - Численные значения степени пульсации при заданных параметрах работы компенсаторов

Данные табл. 1 свидетельствуют о максимальных отклонениях давления подачи раствора в трубопровод от его среднего уровня.

На рис. 5 представлены зависимости степени пульсации от давления подачи в трубопровод.

Графические зависимости, представленные на рис. 5, свидетельствует о явных преимуществах работы компенсатора растворонасоса с увеличенным объёмом по сравнению с компенсатором диафрагмовым.

Рис. 5 - Зависимость степени пульсации давления в процентах от конструктивных особенностей компенсаторов в растворонасосах : а) с диафрагмовым комбинированным компенсатором; б) с комбинированным компенсатором увеличенного объёма

1 – p₁=0,5 МПа; 2 – p₂=0,7 МПа; 3 – p₃=1,0  МПа, 4 – пульсация только под действием незамкнутой цилиндрической камеры (рост давления от атмосферного к давлению приведения в действие замкнутой камеры)

Степень пульсации (рис. 5, б) компенсатора с увеличенным объёмом приблизительно в 2 раза меньше по отношению к степени пульсации компенсатора диафрагмового (рис. 5, а). Также тенденции роста степени пульсации при повышении давления подачи меньше.

Выводы:

1. Найдена зависимость для определения степени пульсации раствора в трубопроводе.
2. Экспериментальным путём при использовании результатов теоретических исследований, установлено, что наличие компенсатора увеличенного объёма позволяет в 2 раза снизить уровень пульсации по сравнению с работой растворонасоса с комбинированным диафрагменным компенсатором.

Литература

1. Шаповал М. В. Вплив параметрів роботи комбінованого компенсатора на рівень пульсації тиску // "СТРОИТЕЛЬСТВО. МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ. МАШИНОСТРОЕНИЕ. ИТЕНСИФИКАЦИЯ РАБОЧИХ ПРОЦЕССОВ СТРОИТЕЛЬНЫХ И ДОРОЖНЫХ МАШИН. СЕРИЯ: ПОДЪЁМНО-ТРАСПОРТНЫЕ, СТРОИТЕЛЬНЫЕ И ДОРОЖНЫЕ МАШИНЫ И ОБОРУДОВАНИЕ" Сб. научн. тр. № 66. Ответственный редактор д.т.н., профессор Л.А. ХМАРА – Днепропетровск: ГВУЗ "ПГАСА", 2012. – С 204-211.
2. Чиняев И.А. Поршневые кривошипные насосы. – Л.: Машиностроение, Ленингр. отд-ние. – 1983. – 156 с.
3. Емельянова И.А. Двухпоршневые растворобетононасосы для условий строительной площадки: Монография / И.А.Емельянова, А.А.Задорожный, С.А.Гузенко, Н.А. Меленцов / под ред. Емельяновой И.А. – Тимченко, 2011. – 196.: ил., табл.

References

1. Shapoval M. V. Vpliv parametrіv roboti kombіnovanogo kompensatora na rіven' pul'sacії tisku // "STROITEL''STVO. MATERIALOVEDENIE. MASHINOSTROENIE. ITENSIFIKACIJA RABOCHIH PROCESSOV STROITEL''NYH I DOROZHNYH MASHIN. SERIJA: PODJOMNO-TRASPORTNYE, STROITEL''NYE I DOROZHNYE MASHINY I OBORUDOVANIE" Sb. nauchn. tr. № 66. Otvetstvennyj redaktor d.t.n., professor L.A. HMARA – Dnepropetrovsk: GVUZ "PGASA", 2012. – S 204-211.
2. Chinjaev I.A. Porshnevye krivoshipnye nasosy. – L.: Mashinostroenie, Leningr. otd-nie. – 1983. – 156 s.
3. Emel'janova I.A. Dvuhporshnevye rastvorobetononasosy dlja uslovij stroitel'noj ploshhadki: Monografija / I.A.Emel'janova, A.A.Zadorozhnyj, S.A.Guzenko, N.A. Melencov / pod red. Emel'janovoj I.A. – Timchenko, 2011. – 196.: il., tabl.