ВВЕДЕНИЕ
При проектировании ротационнопластинчатых машин преобладают тенденции создания машин с улучшенными технико-экономическими показателями. Это выражается в первую очередь в снижении удельной мощности вследствие уменьшения затрат мощности на трение пластин, в разработке и исследовании новых конструкционных материалов, работающих без смазки, в улучшении теплоотвода и снижении уровня эксплуатационного шума.
Известно, что увеличение эффективности работы РПМ без смазки ограничивается в основном износом пластин и большими затратами мощности на их трение, доходящими до 30 ÷ 40% от подводимой мощности.
Удельные затраты мощности на трение особенно сказываются в случае малорасходных РПМ и работающих в качестве вакуумного насоса. Таким образом, создание и исследование РПМ без смазки рабочей полости с целью улучшения ее основных технико-экономических показателей, таких как мощность трения и удельная мощность, при увеличении коэффициента полезного действия (КПД) машины в целом является актуальной задачей.
Одним из путей повышения эффективности работы РПМ является снижение мощности трения пластин о цилиндр, увеличение частоты вращения ротора и снижение удельных давлений пластин на цилиндр вследствие введения внешних силовых компенсирующих факторов в РПМ, направленных против действия центробежных сил на пластину.
Поэтому с целью повышения эффективности работы РПМ целесообразно решить следующие задачи:
1. Дать обоснование принципиальной возможности уменьшения мощности трения РПМ внешним силовым воздействием на пластины.
2. Выполнить теоретическое исследование и дать анализ влияния внешнего силового воздействия на пластины на рабочий процесс РПМ.
3. Выполнить экспериментальное определение объемных и энергетических характеристик опытных макетов РПМ с пластинами, частично разгруженными от силового действия центробежных сил, с регулируемым воздействием пластин на цилиндр.
4. Определить основные конструктивные параметры РПМ с внешним силовым воздействием на пластины и разработать методики расчета такого типа машин.
При этом использовать методы:
• теоретического анализа силового воздействия на пластину центробежных и внешних компенсирующих магнитных сил;
• экспериментального исследования характера течения газа в условиях малых контактных давлений, изменения сил магнитного взаимодействия от конструктивных соотношений размеров пластин, рабочих характеристик созданных макетов малорасходных вакуум-насосов;
• обобщения результатов, в том числе расчетами, и сравнения их с экспериментальными данными.
Доказана целесообразность использования внешних компенсационных сил для снижения мощности трения МРПВН, уменьшения неравномерности прижатия при движении пластин и износа, а также для увеличения скоростного диапазона вращения ротора.
Разработана методика и созданы экспериментальные установки для исследования:
• течения газа через микрощелевые каналы уплотняющих поверхностей при изменении удельных давлений этих поверхностей;
• компенсационных сил магнитного взаимодействия для разных конструктивных соотношений размеров пластин, применяемых в РПМ;
• энергетических характеристик опытных макетов МРПВН в условиях действия компенсационных сил магнитного взаимодействия на пластины.
Впервые получены экспериментальные данные об удельных и энергетических показателях такого типа машин. Эти результаты позволяют полнее судить о физике процесса внешнего силового воздействия на пластины в РПМ и об условиях оптимальности конструктивных соотношений размеров РПМ при действии компенсационных сил магнитного взаимодействия на пластины в установленном скоростном диапазоне вращения ротора.
Созданы опытные конструкции МРПВН с пластинами, частично разгруженными от силового воздействия центробежных сил, мощность трения которых может уменьшаться до 90–95%, по сравнению с условиями отсутствия компенсационных сил, при номинальной частоте вращения ротора и при сохранении неизменным уровня массогабаритных характеристик обычных конструкций РПМ.
Разработана методика расчета мощности трения пластин в РПМ с учетом влияния компенсационных сил магнитного взаимодействия, которая позволяет определять оптимальные конструктивные соотношения размеров машины на требуемые условия работы и производить теоретический анализ ее рабочих параметров при использовании в других эксплуатационных режимах (различные частоты вращения ротора, конструктивные соотношения размеров пластин и РПМ, условия работы и др.).
Анализ теоретических и экспериментальных работ, направленных на улучшение технико-экономических показателей конструкций РПМ, дал возможность использовать подход, суть которого заключается в минимизации центробежных сил, действующих на пластину, уменьшении мощности трения пластин, повышении частоты вращения ротора, а также в обосновании конструктивных соотношений размеров РПМ.
• Установлены соотношения размеров пластин РПМ, при которых коэффициент компенсации возрастает при работе экспериментальных стендов и измерительной аппаратуры;
• определено влияние удельного давления соприкасающихся поверхностей на величину протечки газа через микрощелевые каналы;
• исс ледованы взаимосвязи конструктивных соотношений размеров пластин со степенью разгрузки от силового действия центробежных сил;
• определено влияние степени силовой компенсации центробежных сил на энергетические характеристики;
• экспериментально проверены условия возникновения отрыва пластин от стенок цилиндра;
• обработаны результаты экспериментальных исследований и оценена погрешность основных величин.
Программа проведения экспериментальных исследований предусматривала определение расхода газа и внешних компенсационных магнитных сил при заданных размерах пластин и перепадах давлений воздуха на уплотнении.
Сегментная магнитная система опытного макета ротационно-пластинчатого вакуумного насоса, расположенная на цилиндре, давала возможность регулировать величину силовой компенсации центробежных сил вплоть до возникновения отрыва пластин от стенок цилиндра, а также проверять данные условия возникновения отрыва пластин. Магнитная система и пластины опытных макетов были изготовлены из магнитного материала ЗБА, причем магнитная система была установлена в роторе.
Известны различные способы уменьшения трения пластин о цилиндр: установка разгрузочных колец, вращение цилиндра вместе с пластинами, подбор материала пары пластина-цилиндр. Одним из перспективных способов разгрузки — уменьшение величины центробежной силы F — является применение противодействующих магнитных сил.
На рис. 1 представлена схема применения отжимных пластин. Основными элементами отжима пластин являются магнитные вставки.
Рис. 1. Схема опытного образца РПМ с магнитным отжимом пластин: 1 — магнитная вставка, 2 — нагнетательный штуцер, 3 — всасывающий штуцер
Пластины выполнены из магнитных материалов. Отжим пластин к центру осуществляется за счет магнитного взаимодействия двух постоянных магнитов с одинаковыми полюсами. Два магнита отталкиваются друг от друга, тем самым снижая прижимание пластин к цилиндру. Опытный образец РПМ с магнитным отжимом пластин был экспериментально испытан на стенде и показал хорошие результаты по снижению мощности.
Экспериментальные исследования, проведенные на стенде, позволили определить объемные и энергетические характеристики малорасходных машин в условиях изменения компенсационных магнитных и центробежных сил на пластины, числа пластин, в широком диапазоне угловых скоростей вращения ротора. Испытания вакуумнасоса проводились как в режиме полного вакуумирования до давления P < 133 Па, так и в эксгаустерном режиме. В процессе определялись следующие параметры:
• угловая скорость и частота вращения ротора вакуум-насоса;
• напряжение на клеммах двигателя вакуум-насоса экспериментального исследования;
• ток, потребляемый двигателем;
• давление воздуха на всасывании;
• давление воздуха в рабочей полости;
• барометрическое давление и температура воздуха в лаборатории;
• крутящий момент на валу машины;
• коэффициент трения используемых материалов;
• производительность машины.
Экспериментальный стенд включал в себя исследуемый образец пластинчато-роторного насоса, который присоединялся к электродвигателю постоянного тока через герметичную измерительную муфту.
Величина магнитной силы — контролировалась по результатам замера зазора между магнитом и цилиндром РПВН микрометрическим винтом, установленным рядом с датчиком зазора, а величина зазора с датчика подавалась через измерительный мост на вход осциллографа. Представлены экспериментальные зависимости мощности трения РПМ при изменении частот вращения ротора для различных значений сил магнитного взаимодействия. Изменение зазоров при подъеме магнитных сегментов осуществлялось регулировочными винтами. Этот зазор между каждым из шести элементов и цилиндрической втулкой регулируется в пределах от 0 до 20 мм. Толщина цилиндрической втулки составляет 0,4 мм. При минимальной величине зазоров величина отталкивающей магнитной силы достигает максимальной величины, что существенно уменьшает силу трения пластин о втулку.
Следует выделить основные результаты проделанной работы:
1. Спроектированы и созданы опытные макеты малорасходных РПВН без смазки с пластинами, частично разгруженными от силового воздействия центробежных сил и изменяемой степенью прижатия к цилидру.
2. Экспериментальные исследования на стендах позволили оценить:
а) объемные и энергетические характеристики малорасходных вакуум-насосов в широком диапазоне изменения окружных скоростей вращения ротора, числа пластин, массы пластин и рабочих давлений;
б) расход воздуха через микрощелевые каналы в условиях изменения удельных контактных давлений и перепадов давлений воздуха соприкасающихся поверхностей;
в) компенсaционные силы магнитного взаимодействия при изменении конструктивных размеров пластин и рабочего зазора взаимодействующих поверхностей.
3. Теоретически обосновано и исследовано влияние внешнего силового воздействия на пластины на рабочий процесс РПМ:
а) определено, что уменьшение мощности трения пластин и увеличение равномерности прижатия при их движении зависит от соотношения суммарной силы F и противодействующей силы Fпр, действующих вдоль пластины;
б) предложены расчетные зависимости мощности трения РПМ при силовой разгрузке пластин;
в) рекомендованы конструктивные параметры размеров плас тин
позволяющие применять компенсацию центробежных сил на более высоких окружных скоростях вращения ротора (в 1,6 ÷ 2,1 раза) и определять основные конструктивные соотношения размеров РПМ;
г) установлены условия возникновения отрыва пластин от стенок цилиндра РПМ и определена расчетная величина зазора δкрит при сохранении равномерного контакта пластин с цилиндром по углу поворота ротора.
4. Исследован диапазон уменьшения удельного контактного давления соприкасающихся поверхностей в пределах q = 0,8 … 0,01 МПа, для которого предложена эмпирическая зависимость протекания воздуха через микрощелевидные каналы этих поверхностей и определен коэффициент m для этой зависимости (m = 0,05 … 0,11).
5. Проведено экспериментальное исследование опытных макетов МРПВН с изменяемой степенью разгрузки пластин от центробежных сил и подтверждены практические рекомендации по выбору основных конструктивных параметров РПМ, что позволило получить:
а) уменьшение мощности трения пластин в 20 и более раз, по сравнению с отсутствием компенсации в данном диапазоне окружных скоростей вращения ротора Vокр ≤ 10 м/с;
б) увеличение механического КПД на 15 ÷ 42%, адиабатического КПД на 6 ÷ 48%, в зависимости от давления всасывания МРПВН и частоты вращения ротора;
в) уменьшение удельной мощности в среднем на 16 ÷ 47%.
ВЫВОДЫ
Экспериментальные исследования опытных образцов РПМ с магнитным отжимом пластин, выполненные по методике к. т. н., доцента Г.Н. Трунова, показали существенные возможности снижения трения пластин о цилиндр, а также возможность применения машин со значительно уменьшенными значениями мощности привода.
Создаются серии микромашин на различные диаметры роторов с применением магнитных отжимных устройств, что позволяет существенно улучшить динамические характеристики данных микромашин, повысить их КПД и наметить перспективы дальнейших исследований по совершенствованию конструкций РПМ.