К ВОПРОСУ О НЕРАВНОМЕРНОСТИ ПОДАЧИ НАСОСОВ ПОРШНЕВОЙ ГРУППЫ

Поршневые насосы имеют широкую область применения, что говорит об их незаменимости в некоторых сферах деятельности. Изучение конструкции поршневых насосов, её совершенствование и устранение недостатков с целью повышения эффективности работы, является весьма актуальной задачей.

В теоретическом описании работы насоса, жидкость неотрывно следует за поршнем. Текущая подача жидкости определяется произведением скорости поршня на его площадь. Поскольку площадь поршня величина постоянная, то изменение текущей подачи определяется изменением скорости, следовательно, скорость и подача изменяются по одному закону. Поскольку поршень в цилиндрах движется с непостоянной скоростью (от 0 до максимума), то и жидкость в цилиндре вытесняется с переменных характером. Поэтому подача поршневого насоса неравномерна и прерывиста во времени.

Неравномерность подачи характеризуется безразмерным коэффициентом, который представляет собой отношение максимальной подачи к средней подачи:

                                            (1)

где: — коэффициент неравномерности;

   — максимальная подача, м³/с;

   — средняя подача, м³/с.

Для поршневого насоса одностороннего действия неравномерность подачи равна  и изображается полусинусоидой изображённой на рисунке 1.

Неравномерность обусловлена промежутком времени, занимаемым процессом всасывания между двумя последовательными процессами нагнетания.

Рисунок 1. График подачи поршневого насоса одностороннего действия

Неравномерность подачи представляет собой пульсации потока жидкости, которые сказываются на поведении системы в переходных режимах работы, возбуждая колебания давления жидкости, которые в свою очередь могут привести к усталостному разрушению и деформации вспомогательных элементов. По оценкам экспертов, причинами разрыва трубопроводов примерно в 60 % случаев являются гидроудары, перепады давления и вибрации вызванные пульсациями давления [4].

 Неравномерность подачи сказывается на динамике работы клапанов, препятствуя их плавной посадке, что приводит к перетечкам жидкости из линии нагнетания, обратно в рабочую полость. Вибрация клапанов приводит появлению инерционных толчков в трубопроводах и как следствие появление гидроударов.

Пульсации подачи являются одной из основных причин возникновения вынужденных колебаний гидропривода, которые в случае резонирования могут оказывать значительное влияние на динамические процессы в гидросистеме [1].

В целом наблюдается нестабильность в работе насоса, появление шумов и вибраций всей насосной установки. В результате этих явлений снижается производительность, энергоэффективность, КПД и ресурс агрегата.

Заданной проблематике посвящены труды многих авторов. Теоретической основой всех работ является монография [1], в которой описаны способы уменьшения неравномерности подачи для поршневого насоса: повышение кратности действия насоса, применение сдвоенных и строенных конструкций насосов с дифференциальным поршнем. Для радиально-поршневого насоса: установка на выходе агрегата жёсткой емкости в виде отрезка трубы с диаметром в 5 раз большим, чем выходной канал насоса. Для аксиально-поршневого насоса: введение конструктивного изменения под названием дезоксиал насоса, использование метода сгущения поршней, заключающегося в неравномерном угловом расположении осей цилиндров в блоке. Для всех типов поршневых насосов установка воздушного колпака.

Рассмотрим на конкретных примерах исследования других авторов. Поиском оптимального закона перемещения поршня занимались соискатели в статье [10]. В результате теоретических исследований, был определён оптимальный закон, при котором скорость движения поршня является величиной постоянной, т.е. линейный закон перемещения, благодаря чему подача остаётся величиной постоянной во времени и неравномерность стремится к нулю. В монографии [11] автором был получен некий закон перемещения поршня, благодаря которому повышается эффективность работы компрессора. Полученный закон имеет характер близкий к линейному и существенно отличается от ранее используемого закона.

Помимо совершенствования приводного механизма, многие авторы занимались разработкой различных устройств по снижению пульсаций. В запатентованном изобретение [8], авторами предлагается стабилизатор давления. Некий объём с рабочим телом соединен через клапан с всасывающей и нагнетательной магистралью и в определённые промежутки времени, жидкость поступает из этого объема в линию всасывания, для устранения кавитации и в линию нагнетания, для компенсации неравномерности потока жидкости. Разработкой и совершенствованием подобных устройств занимались и другие изобретатели: гаситель пульсации давления жидкости [5], стабилизатор давления [7]. Все устройства имеют схожий принцип работы, но отличаются конструктивно.

Проанализировав ранее созданные изобретения, авторы, разработали многорежимный гаситель пульсаций давления [6], который ориентирован на расширение диапазона частот колебаний давления в потоке жидкости.

В статье [2] авторы исследуют влияние неравномерности давления промывочной жидкости на работу бурового инструмента. Вибрации и колебания давления вызывают нестабильную работу винтовых забойных двигателей и долота инструмента. Для решения этой проблемы авторы предлагают диафрагменный компенсатор давления промывочной жидкости.

Исследованию других методов посвящена работа [3]. Авторов интересовало определение числа параллельно работающих на сеть насосов, имеющих наиболее равномерный график подачи. Параллельно с этим, авторами исследовалось влияние отношения длины шатуна к длине кривошипа на неравномерность подачи насосной установки.

Самой свежей публикацией по данной тематике является работа [9], в которой авторы анализировали неравномерность подачи при различном угловом расположение поршней с разными диаметрами.

Иностранные учёные не меньше российских занимаются данной проблематикой. Так в статье [12] авторы предлагают конструктивное изменение в виде демпфирующих отверстий на распределительной пластине аксиально-поршневого насоса, через которые рабочая жидкость будет поступать в линию нагнетания, тем самым компенсируя моменты отсутствия подачи насоса.

Неравномерность подачи поршневых насосов интересовала ученых с 60-х годов прошлого столетия. Разработанные и реализованные на практике методы снижения пульсаций подачи насоса оказались эффективными, но до конца устранить проблему не удалось. В нынешнее время насосы поршневого типа использую в гражданском авиастроении, от стабильности работы насоса зависит исправность всего самолёта, следовательно, и жизни людей. Поэтому изучение данной проблематики остаётся актуальным и в сегодняшний день.

Список литературы:

1. Башта Т.М. Объемные насосы и гидравлические двигатели гидросистем: учеб. для вузов. М.: Машиностроение,1974. — 606с.
2. Габдрахимов М.С., Миннивалеев Т.Н., Галимов Р.М. Исследование и оценка влияния неравномерности давления промывочной жидкости на работу бурового инструмента // Экспозиция нефть газ. — 2013. — №2(27). [электронный ресурс] — Режим доступа. URL: http://elibrary.ru/item.asp?id=18978619  (дата обращения 02.03.2016)
3. Дворовенко И.В. [и др.] О равномерности подачи жидкости поршневыми насосами // Вестник кузбасского государственного технического университета. — 2005. — №3(47). [электронный ресурс] — Режим доступа. URL: http://elibrary.ru/item.asp?id=18885680  (дата обращения 02.03.2016)
4. Иванов С.И., Нургалиев Д.М., Гамов А.С. Пульсации давления как источник вибрации трубопроводов // Газовая промышленность. — 2011. — №8. [электронный ресурс] — Режим доступа. URL: http://elibrary.ru/item.asp?id=16518045 (дата обращения 01.03.2016)
5. Пат. 2011110631 Российская Федерация, F16L55/04. Гаситель пульсаций давления жидкости /Чибисов В.Н; заявитель и патентообладатель ОАО «НПО ГИДРОМАШ».– № 2011110631/28; заявл. 22.03.11; опубл. 10.01.12. [электронный ресурс] — Режим доступа. URL: http://www.findpatent.ru/patent/208/2088833.html (дата обращения 06.03.2016)
6. Пат. 87238 Российская Федерация, F16L55/04. Многорежимный гаситель пульсаций давления / А.А. Анкудинов, А.А.Кирилов, О.О. Мильман, В.А. Фёдоров.– № 2009119240/22; заявл. 21.05.09; опубл. 27.09.09. [электронный ресурс] — Режим доступа. URL: http://www.findpatent.ru/patent/240/2406012.html  (дата обращения 06.03.2016)
7. Пат. 99100608 Российская Федерация, F16L55/04. Стабилизатор давления / С.Л. Самсонович, В.И.Лалабеков, А.П. Сячин, А.Б. Мусвик, В.А. Пестунов, В.Н.Чубиков; заявитель и патентообладатель ООО «ДКМ Венчурные проекты».– № 99100608/20; заявл. 22.01.99; опубл. 16.08.99. [электронный ресурс] — Режим доступа. URL: http://www.findpatent.ru/patent/231/2311584.html  (дата обращения 06.03.2016)
8. Пат. 2003130032 Российская Федерация, F16L55/04. Стабилизатор давления для гидросистемы с насосом / Х. Ф. Хатмуллин, Х.Н. Назимов, В.Н. Применко, Ф.Д. Шадуллин, И.Ф. Ситдиков; заявитель и патентообладатель Российский ун-т дружбы народов – № 2003130032/06; заявл. 13.10.03; опубл. 10.08.05. [электронный ресурс] — Режим доступа. URL: http://www.findpatent.ru/patent/226/2266461.html  (дата обращения 06.03.2016)
9. Щерба В.Е. [и др.] Исследование неравномерности теоретической многоцилиндровых поршневых насосов // Вестник машиностроения. — 2016. — №1. — 22—25с.
10. Щерба В.Е., Балакин П.Д., Глотов А.А. Повышение эффективности работы газовой криогенной машины путём оптимизации закона перемещения поршня и вытеснителя // Омский научный вестник. — 2007. — №3(60). [электронный ресурс] — Режим доступа. URL: http://elibrary.ru/item.asp?id=23051898 (дата обращения 15.11.2015)
11. Щерба В.Е. Рабочие процессы компрессоров объёмного действия: Научное издание. М.: Наука, 2008. — 319с.
12. Theoretical study of flow ripple for an aviation axial-piston pump with damping holes in the valve plate Author(s): Guan, CB (Guan Changbin); Jiao, ZX (Jiao Zongxia) ; He, SZ (He Shouzhan) Source: Chinese journal of aeronautics Issue:1 V:27 Pages:169-181 Published: 2014.