Модернизация шиберного вакуумного насоса

РЕФЕРАТ.

Дипломный проект 53с., 13 рис., 2 табл., 7 источников.

ПОЖАРНЫЙ НАСОС, СИСТЕМА ВОДОЗАПОЛНЕНИЯ, ШИБЕРНЫЙ НАСОС, ВАКУУМНЫЙ НАСОС, АВТОЦИСТЕРНА.

Объектом исследований является система водозаполнения пожарного насоса автоцистерны Цель работы — модернизация шиберного вакуумного насоса Задачами являются:

— выявить недостатки в вакуумной системе.

— предложить изменения шиберного насоса;

В результате анализа работы вакуумной системы атоцистерны были выявлены такие недостатки как попадание воды в полость вакуумного насоса, а так же расход масла шиберным насосом в процессе его эксплуатации.

В результате исследований предложена модернизация вакуумного шиберного насоса, исключающая данные недостатки.

Экономический эффект от предложенного варианта составляет сто двадцать пять миллионов белорусских рублей в год только лишь от внедрения данной разработки в Гомельском гарнизоне МЧС.

• СОДЕРЖАНИЕ
• Определения
• Обозначения и сокращения
• Введение
• 1. Актуальность проблемы на основе анализа статистики МЧС
• 2. Анализ использующихся устройств для водозаполнения пожарного насоса автоцистерны
• 2.1 Общие положения
• 2.2 Системы с газоструйными вакуум-насосами
• 2.3 Системы с поршневым вакуум-насосом
• 2.4 Системы с водокольцевыми вакуум-насосами
• 2.5 Системы с шиберными вакуум-насосами
• 3. Анализ возможных современных технических решений
• 3.1 Общие положения
• 3.2 Автоматические системы водозаполнения центробежных пожарных насосов
• 3.3 Выбор типа вакуумной системы для пожарно-насосного агрегата
• 3.4 Оптимизация параметров насосно-рукавных линий
• 3.5 Расчет производительности вакуумной системы
• 4. Представление предлагаемого технического решения
• 4.1 Представление водоотделителя
• 4.2 Представление маслоуловителя
• 5 Мероприятия по обеспечению охраны труда
• 6 Экономическое обоснование применения водоотделителя в вакуумном насосе
• Заключение
• Список использованных источников

ОПРЕДЕЛЕНИЯ.

Водоотделитель — предназначен для защиты вакуумного насоса от попадания в него воды.

Вакуумный насос — устройство, служащее для удаления (откачки) газов или паров до определённого уровня давления (технического вакуума)..

Маслоуловитель, в технике — устройство, отделяющее масло в потоке другого вещества (жидкости, газа)..

Жиклёр — калиброванное отверстие для дозирования подачи жидкости или газа..

Ротор — вращающаяся часть двигателей и рабочих машин, на которой расположены органы, получающие энергию от рабочего тела или отдающие её рабочему телу. Ротор двигателей связан с ведущим валом, ротор рабочих машин — с приводным валом. Ротор выполняется в виде барабанов, дисков, колёс..

ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ.

АСИ — аварийно-спасательный инструмент;

МЧС РБ — Министерство по чрезвычайным ситуациям Республики Беларусь;

ПА — пожарный автомобиль;

ПН — пожарный насос;

Для успешной борьбы с пожарами и их трагическими последствиями наряду с целым комплексом мер обеспечения пожарной безопасности необходимо решать задачу совершенствования пожарной техники, и в том числе — повышать эффективность работы пожарных автомобилей — автоцистерн и автонасосов — основных технических средств при ликвидации возникшего пожара, находящихся на вооружении пожарной охраны. Это обстоятельство подтверждается глубоким анализом состояния пожарной техники.

Основной задачей насосных установок ПА считается обеспечение требуемой подачи и напора воды и водных растворов пенообразователя, необходимых для эффективного тушения пожара. Отечественные ПА комплектуются в основном центробежным насосом ПН-40, выпускаемым с семидесятых годов ОАО «Ливенский машиностроительный завод». Кроме этого, отечественные ПА не оборудованы автоматическими системами водозаполнения. Используемые в пожарной технике центробежные насосы могут начать подачу воды в пожарные рукава только после предварительного заполнения водой их рабочей полости и всасывающей линии. Вместе с тем в нашей стране более чем на 30% всех пожаров подача воды ПА производится из открытого водоисточника. Заливка и пуск насоса ПА, определяющие во многом время подачи воды на пожаротушение, не автоматизированы и слагаются в общей сложности из 11 операций. Это требует высокой тренированности обслуживающего персонала и не исключает ошибок, приводящих к задержке начала подачи воды или к срыву водяного столба на всасывающей линии и прекращению подачи воды на пожаротушение.

В этой связи в последнее время перед отечественными учеными, конструкторами, производителями была поставлена задача создания насосных агрегатов нового поколения, удовлетворяющих современным требованиям по расходно-напорным характеристикам и оборудованных высокоэффективной системой водозаполнения.

Для создания пожарно-насосного агрегата, соответствующего современным требованиям, пожарные насосы должны быть оборудованы высокоэффективной автоматизированной вакуумной системой водозаполнения.

ГЛАВА 1. АКТУАЛЬНОСТЬ ПРОБЛЕМЫ НА ОСНОВЕ АНАЛИЗА СТАТИСТИКИ МЧС.

Насосы типа НЦП (нормального давления, высоконапорных и комбинированных) требуют предварительного заполнения водой ВРЛ и рабочего органа. Для выбора принципиального решения системы водозаполнения необходимо рассмотреть известные способы подачи воды в центробежный насос.

В отечественной и зарубежной практике нашли применение различные системы водозаполнения ПН. Все их можно классифицировать как две группы: без вакуумные и вакуумные (рисунок 1.1).

Рисунок 1.1 - Классификация систем водозаполнения пожарных машин.

В без вакуумных системах заполнение ВРЛ и рабочего органа насоса осуществляется под напором погружного насоса или многократным погружением ВРЛ; в вакуумных — за счет создания в них разрежения.

Способ многократного погружения ВРЛ для заполнения емкостей был использован на отечественной мотопомпе МЛВ-1. В полости рукава мотопомпы были вмонтированы лепестки, выполняющие функцию обратных клапанов.

Первая группа системы водозаполнения из-за трудоемкости и ряда других существенных недостатков не получила широкого распространения. Без вакуумная система водозаполнения практически не может быть автоматизирована.

Вакуумную систему водозаполнения разделяют на систему создания вакуума в ВРЛ и рабочем органе насоса посредством механизмов базового шасси (всасывающего коллектора двигателя, компрессора пневмопривода тормозной системы) и за счет вакуум-насосов.

Система водозаполнения от всасывающего коллектора двигателя достаточно надежна, проста в конструкции и эксплуатации. Она состоит из трубопровода, запорного крана и отсекателя, препятствующего проникновению воды в двигатель.

До недавнего времени способ заливки от всасывающего коллектора двигателя применялся на зарубежных ПА. Фирмой «Barton» выпускались даже насосы, оборудованные отсекателями и дополнительной арматурой. Однако низкие показатели напорных характеристик (не более 0,06 МПа) и продолжительность создания разрежения ограничивают возможности приведенной системы на ПА. Тем не менее такая система используется на молоковозах, водовозах и некоторых автомобилях коммунального назначения.

Вакуумная система, работающая от компрессора двигателя, оборудована трубопроводом, соединяющим компрессор с полостью насоса. Краном переключения и трубопроводом к ресиверу тормозной системы. Подобные системы были широко использованы в 50-х годах на отечественных пожарных автомобилях ПМЗ-9м, ПМЗ-10М, ПМЗ-13, ПМЗ-17, ПМЗ-18. Однако впоследствии от данных систем отказались. Причиной этому послужило отсасывание масла из картера двигателя, существенно возросли отказы тормозной системы автомобиля; система оказалась чувствительной к возникновению подсосов. Кроме этого, данный вид вакуумных систем по своей сущности исключал создание автономного пожарно-насосного агрегата — целостного механизма по подаче воды в рукавные линии.

По этим причинам в зарубежной пожарной технике нашли применение системы забора воды пожарных машин вакуумными насосами, позволяющими обеспечивать подачу воды в ВРЛ и рабочий орган насоса не только с заданными параметрами, но позволяющими автоматизировать этот процесс и дающими возможность создания автономного пожарно-насосного агрегата.

ГЛАВА 2. АНАЛИЗ ИСПОЛЬЗУЮЩИХСЯ УСТРОЙСТВ ДЛЯ ВОДОЗАПОЛНЕНИЯ ПОЖАРНОГО НАСОСА АВТОЦИСТЕРНЫ.

2.1 Общие положения.

В практике отечественной и зарубежной пожарной охраны используются различные виды вакуумных систем. Они обеспечивают достаточно высокую надежность и малую продолжительность заливки. В частности, в соответствии с требованиями при длине всасывающей рукавной линии 8 м и высоте расположения оси ПН 7 м над уровнем воды время заполнения не должно превышать 40 с.

Вакуумные системы ПА могут быть классифицированы в зависимости от типа используемого вакуум-насоса, способа заливки (при неподвижном или вращающемся роторе пожарного насоса) и типа управления (ручное, полуавтоматическое, автоматическое). Отдельную группу представляют автономные вакуумные системы, которые могут быть смонтированы на ПН или в насосном отсеке и работают независимо от других агрегатов и систем ПА.

Основным элементом вакуумных систем являются вакуум-насосы. На отечественных и зарубежных ПА используются вакуумные насосы нескольких типов: газоструйные, поршневые, водокольцевые и шиберные. Для выбора типа вакуумного насоса представляется целесообразным обратиться к опыту их использования в практике пожарной охраны.

2.2 Системы с газоструйными вакуум-насосами.

Газоструйные вакуум-насосы, представляющие собой газовые инжекторы, работают без механического привода. Перемещение жидкости в них осуществляется за счет энергии газа. Этот тип насосов нашел самое широкое применение как на отечественных ПА, так и на зарубежных — Германии, США, Чехии, Польши и других.

Как правило, газоструйные вакуум-насосы на ПА работают от энергии отработанных газов двигателя. К их преимуществам следует отнести простоту конструкции, постоянную готовность к работе, невысокую стоимость, невосприимчивость к загрязнению воды и низким температурам, а также отсутствие вращающихся деталей.

Наибольшее распространение получил одноступенчатый газоструйный вакуум-аппарат (рисунок 2.1) .

1 — распределитель; 2 — резонатор; 3, 12 — заслонка; 4 — корпус; 5, 8 — рычаг; 6 — ось; 7 — крышка; 9 — пружина; 10 — сопло; 11 — диффузор.

Рисунок 2.1 — Одноступенчатый газоструйный вакуум-аппарат совмещенный в один узел с газовой сиреной.

Его устанавливают на распределительной камере с двусторонней заслонкой, которая в транспортном положении закрывает вход в эжектор, а при работе вакуумного устройства сообщает его с распределительной камерой, одновременно перекрывая выхлопной тракт. Система создает разрежение до 0,7 МПа и за 10−50 с (в зависимости от высоты всасывания) обеспечивают подачу воды в центробежный насос. Вакуумная система имеет вакуумный затвор ручного управления, который располагают на центробежном насосе и соединяют трубопроводом с камерой разрежения эжектора. В зависимости от условий заполнения центробежного насоса (при неподвижном или вращающемся рабочем колесе) вакуумный затвор соединяют с его напорной или всасывающей полостью. В отечественной практике вакуумный агрегат устанавливается перед штатным глушителем шасси, то есть в непосредственной близости от двигателя. За рубежом преобладает установка вакуумного агрегата в самом конце выхлопного тракта.

На отечественных ПА с дизельным двигателями КамАЗ-740 и ЯМЗ-236 в качестве струйного вакуум-насоса установлен двухступенчатый газовый эжектор УВГ (рисунок 2.2). В его конструкцию входят: воздушное сопло 8, промежуточное сопло 3, диффузор 2, промежуточная камера, через воздушное сопло сообщающаяся с атмосферной. Эжектор работает при вращающемся рабочем колесе центробежного насоса, поэтому после заполнения насоса водой в нем создается давление, которое фиксируется манометром. Для выключения эжектора в распределительной камере открывают отверстие для выхода отработавших газов в атмосферу. Одновременно закрывают вакуумный затвор, после чего полость насоса и камера разрежения эжектора разобщаются.

1 — воздушное сопло; 2 — промежуточное сопло; 3 — диффузор.

Рисунок 2.2 — Двухступенчатый газовый эжектор УВГ.

Отличительной особенностью насоса является наличие в его промежуточной камере отверстия с поворотной крышкой, посредством которых регулируется противодавление.

Несомненным преимуществом двухступенчатого газового эжектора является его способность работать при низком избыточном давлении эжектирующего газа, а также охлаждением сопла и диффузора атмосферным воздухом.

Аналогичные насосы устанавливаются на ПА фирмы «Magirus».

Недостатками газоструйных вакуум-насосов считаются: возникновение значительного противодавления в выхлопном тракте двигателя (до 0,22 МПа), а также большое количество отказов вследствие коррозии осей и деформации.

заслонок, расположенных в распределительной камере и постоянно подверженных тепловому и химическому воздействию отработавших газов. По данным отказы этих элементов появляются уже в первый год эксплуатации: заклинивание и разрушение заслонок (33%), прогорание и коробление самих заслонок (22%), прогорание и разрушение шпилек и гаек (10%). Следует также отметить еще один важный эксплуатационный недостаток газоструйных вакуум-насосов: увеличение выброса в окружающую среду токсичных газов. В результате противодавления, возникающего в выхлопном тракте двигателя, в последнем происходит неполное сжигание топлива, вследствие чего концентрация токсичных газов, выбрасываемых в атмосферу, возрастает на 10% у карбюраторных двигателей и на 60% - у дизельных. При ежедневной проверке на сухой вакуум при смене караулов в гаражах пожарных частей концентрация оксида углерода превышает предельно допустимые концентрации в десятки раз.

Таким образом, струйные насосы, нашедшие самое широкое применение не ПА в качестве вакуумных системах, наряду со многими достоинствами имеют целый перечень принципиальных недостатков. Стремление снизить их влияние на технико-экономические показатели неизбежно приводит к усложнению и удорожанию конструкции.

2.3 Системы с поршневым вакуум-насосом.

Поршневые вакуум-насосы относятся к классу насосов вытеснения, принцип действия которых основан на периодическом изменении объема рабочей камеры при переменном сообщении со входом и выходом насоса в результате осевого движения поршня.

Насосы данного типа обладают высокой всасывающей способностью. Однако их производительность во многом определяется размером рабочей камеры и, следовательно, размером самого насоса. К недостаткам следует также отнести сложность конструкции, наличие подвижных и изнашивающихся частей, требования к высокой точности обработки деталей, ускоренный износ поршней и цилиндров при попадании в них жидкости с твердыми примесями, а также необходимость применения специального привода для работы насоса. По этим причинам насосы данного класса в вакуумных системах ПА практически не используются. Можно привести примеры лишь двух зарубежных фирм, применяющих поршневые насосы в этих целях.

Австрийская фирма «Rosenbauer» на автомобилях аэродромной службы и комбинированного тушения использует автономную вакуумную систему, в которую входят поршневой двухцилиндровый насос (рисунок 2.3) с электромагнитной муфтой включения, вакуумный затвор шарового типа и трубопроводы.

1 — вал; 2 — электомагнитная муфта; 3 — штуцер для заливки; 4 — ниппель для соединения с центробежным насосом; 5 — указатель уровня масла; 6, 11 — выпускные клапана; 7 — корпус; 8 — поршень; 9 — ползун; 10 — эксцентрик.

Рисунок 2.3 — Поршневой насос фирмы «Rosenbauer».

Привод вакуум-насоса осуществляется от вала повышающей передачи пожарного насоса с помощью зубчатого ремня.

Вакуум-насос состоит из корпуса, ведущего вала, электромагнитной муфты включения, двух выпускных мембранных клапанов и поршня, который работает в двух оппозитно расположенных цилиндрах и имеет в средней части паз для размещения ползуна, связанного с эксцентриком.

Ведущий вал и эксцентрик вращаются на шарикоподшипниках. За каждый оборот эксцентрика поршень совершает два рабочих цикла. Особенность конструкции вакуум-насоса состоит в том, что вместо всасывающих клапанов в стенках цилиндров предусмотрены всасывающие окна, а выпускные клапаны изготовлены их резины. Все детали вакуум-насоса работают в масляной ванне, причем его ведущий вал вращается постоянно вместе в ротором насоса.

На корпусе имеется штуцер для заливки масла, указатель уровня масла и ниппель, к которому присоединяется гибкий трубопровод. Так как во время заливки ротор пожарного насоса вращается, гибкий трубопровод для отсоса воздуха присоединен к всасывающему патрубку.

Управление вакуумной системой — ручное. Для ее включения достаточно перевести рукоятку вакуумного затвора в положение «открыто». При этом рукоятка нажмет кнопку микровыключателя, включится электромагнитная муфта и вакуум-насос начнет работать.

Воздух из всасывающей полости насоса по трубопроводам отсасывается в полости цилиндров, а затем через выпускные клапаны выбрасывается в атмосферу. Момент заполнения пожарного насоса водой определяется по появлению избыточного давления в его напорной полости. После этого закрывают вакуумный затвор, и система выключается. Автономная вакуумная система «Трокомат» применяется фирмой «Ziegler» (Германия) на выпускаемых ею ПА и мотопомпах. В этой конструкции поршни приводятся в действие эксцентриком, который установлен на валу основного насоса и вращается вместе с ним. С другой стороны на поршни действуют возвратные пружины. В поршнях имеются отверстия, которые снабжены обратными клапанами, выполненными в виде мембран.

Поршни перемещаются в поршневых камерах, также снабжены отверстиями и обратными клапанами, выполненными в виде мембраны.

2.4 Системы с водокольцевыми вакуум-насосами.

Схема автоматически действующего водокольцевого вакуум-насоса фирмы «Bachert» (Германия) изображена на (рисунке 2.4). Он установлен на качающемся кронштейне и приводится во вращение от вала пожарного насоса через фрикционную передачу. Пока в напорной полости пожарного насоса отсутствует давление, пружина, помещенная внутри гидроцилиндра, прижимает друг к другу колеса фрикционной передачи. Как только пожарный насос разовьет давление, вода из его напорной полости поступит в поршневую полость гидроцилиндра, сожмет пружину и выключит фрикционную передачу. Аналогичные по конструкции вакуум-насосы применяет фирма «Godiva» (Англия).

1 — трубопровод откачки воздуха; 2 — вакуум-насос; 3 фрикционная передача; 4 — гидроцилиндр включения и отключения вакуум-насоса; 5 — вал пожарного насоса; 6- качающийся кронштейн; 7 — рабочее колесо вакуум-насоса.

Рисунок 2.4 — Водокольцевой вакуум-насос фирмы «Bachert».

Рабочая камера водокольцевого насоса расположена эксцентрично по отношению к оси вращения рабочего колеса, состоящего из ступицы и радиально расположенных лопаток. При вращении рабочего колеса в камере образуется водяное кольцо, причем между его внутренней поверхностью и ступицей рабочего колеса возникает серповидное пространство. В первой половине такта происходит всасывание, во второй — нагнетание.

Водокольцевой вакуум-насос монтируют и как дополнительную ступень к центробежному пожарному насосу. В этом случае вакуум-насос постоянно вращается вместе с центробежной ступенью, а его включение и выключение происходит автоматически с помощью управляющих клапанов (золотникового и отсекающего) в зависимости от наличия или отсутствия избыточного давления в напорной полости пожарного насоса или вручную.

Примером такой конструкции может служить вакуумная система мотопомпы «Bachert-Automatik TS 8/8», состоящая из водокольцевой ступени насоса, золотникового клапана, отсекающего клапана и трубопроводов. Золотниковый клапан управляет работой вакуумной системы без вмешательства оператора, переключая ее с режима всасывания на режим подачи и обратно (рисунок 2.5).

Рисунок 2.5 — Принципиальная схема системы автоматического забора воды мотопомпой «Bachert-Automatik TS 8/8»..

При отсутствии давления в напорной полости центробежного насоса золотник клапана находится в крайнем положении, благодаря чему напорная полость водокольцевой ступени разобщена со всасывающей полостью центробежного насоса и соединена, а атмосферой.

После забор воды давление, развиваемое центробежной ступенью перемещает золотник в крайнее правое положение, сообщая напорную полость водокольцевой ступени при срыве водяного столба на входе в центробежную ступень и при испытаниях насоса на сухой вакуум. Корпус клапана объединен с воронкой для заполнения водокольцевой ступени жидкостью перед пуском насоса. Внутри корпуса установлен сетчатый фильтр для очистки воды, поступающей в водокольцевую ступень. Заливная горловина закрыта резьбовой пробкой с резиновой прокладкой.

Водокольцевая ступень состоит из корпуса, крышки, промежуточной шайбы и рабочего колеса, установленного на валу на призматической шпонке. Ступень уплотнена четырьмя резиновыми каркасными сальниками. Для слива воды из нее предусмотрен отдельный кран.

При заборе воды из открытого водоема водокольцевая ступень отсасывает воздух из всасывающего рукава через трубопровод и отсекающий клапан, а затем через золотниковый клапан выбрасывает его в атмосферу. Когда центробежная ступень заполнится водой и разовьет напор, мембрана переместит золотник в правое положение, и вода, подсасываемая водокольцевой ступенью, будет поступать через золотниковый клапан во всасывающую полость центробежной ступени. Такая циркуляция сохраняется на всем протяжении работы насоса, предохраняя водокольцевую ступень от перегрева.

В случае срыва струи прижим перемещает золотник клапана в левое положение, и процесс всасывания автоматически повторяется. Зимой водокольцевую ступень вместо воды, заливают антифризом, что позволяет содержать насос в боевой готовности при хранении мотопомпы в неотапливаемом помещении.

Конструкцию, подобную описанной, имеют автономные вакуумные системы насоса мотопомпы МП-13 и самовсасывающего пожарного насоса НЦС-15. Их отличие состоит в том, что отсос воздуха производится не из всасывающего патрубка центробежной ступени, а из пространства, расположенного за задним диском ее рабочего колеса.

Благодаря этому центробежная ступень и золотниковый клапан соединены через сверление в корпусе насоса, а не трубопроводом, в котором в зимнее время возможно замерзание воды.

Кроме того, для предотвращения замерзания золотникового клапана во время работы насоса между его напорной полостью, расположенной перед мембраной и каналом, сообщающим клапан с водокольцевой ступенью, предусмотрено отверстие, через которое обеспечивается непрерывная циркуляция воды, пока центробежная ступень работает.

Несколько иную конструкцию имеет автономная вакуумная система насоса ПН-11, выпускавшегося Московским насосным заводом им. Калинина. Этот насос устанавливался на пожарных автоцистернах и автонасосах ПМЗМ-1, ПМЗМ-2 и ПМЗМ-З, которые находились на вооружении гарнизонов Москвы и Ленинграда. Водокольцевая ступень расположена в крышке центробежного насоса и примыкает к его полуспиральному подводу. Рабочее колесо водокольцевой ступени вращается вместе с колесами центробежного насоса и через нее постоянно циркулирует вода.

Включение и выключение вакуумной системы — ручное, с помощью пятиходового крана, имеющего пять рабочих положений:

а) заливка насоса;

б) подача воды для тушения;

в) заливка водокольцевой ступени от специального бачка;

г) работа насоса от цистерны или наполнение цистерны от гидранта через насос;

д) наполнение цистерны при работе насоса из открытого водоисточника.

Стоимость насоса ПН-40 с водокольцевой ступенью была примерно в 10 раз больше стоимости насоса ПН-30КФ, близкого по конструкции и параметрам к современному насосу ПН-40УА.

Водокольцевые вакуумные насосы (ступени) в настоящее время не имеют широкого распространения в пожарной технике. Они значительно усложняют конструкцию основного насоса, требуют заполнения своей полости водой перед пуском, а при отрицательных температурах могут замерзать и, в результате, выходить из строя. Водокольцевые насосы имеют малые торцовые зазоры между ротором и корпусом, вследствие чего очень чувствительны к попаданию в них загрязненной воды, что, в общем-то, неизбежно в условиях эксплуатации пожарных насосов.

вакуумный шиберный насос масло.

2.5 Системы с шиберными вакуум-насосами.

Шиберные (пластинчатые) насосы принадлежат к классу роторных насосов, которые работают как и насосы возвратно-поступательного действия на принципе изменения объема рабочей камеры, но в качестве вытеснителей жидкости используются подвижные пластины, установленные в прорезях вращающегося вала насоса. Этот тип насосов применялся в нашей стране на ряде пожарных машин (ПМЗ-1, ПМГ-1, ПМЗ-2 и др.), но затем был вытеснен газоструйными насосами, боле простыми по конструкции. За рубежом они используются и в настоящее время, как на ПА, так и на мотопомпах (рисунок 2). Шиберный вакуум-насос состоит из ротора, эксцентрично размещенного в цилиндрическом корпусе. Ротор снабжен пазами, в которых свободно посажены пластины (шиберы). Во время вращения ротора шиберы под действием центробежной силы прижимаются к внутренней поверхности корпуса, образуя замкнутые полости. Всасывание и нагнетание происходит за счет изменения объема каждой полости вовремя ее перемещения от всасывающего отверстия к выпускному.

1 — корпус насоса; 2 — ротор; 3 — штуцер масленки; 4 — крышка насоса; 5 — приводной шкив; 6 — вал насоса; 7 — пластина (шибер); 8 — межлопаточная полость; 9 — входной (всасывающий) патрубок; 10 — выходной патрубок.

Рисунок 2.6 — Система с шиберным вакуум-насосом.

Устройство и принцип работы.

Вакуумный насос (рисунок 2.7) включает в себя: вакуумный агрегат 9, датчик заполнения 6, блоку правления 1 с электрическими кабелями, два гибких воздухопровода 3 и 10. Вакуумный агрегат предназначен для создания разрежения в полости пожарного насоса и всасывающих рукавов. Датчик заполнения предназначен для подачи сигнала в блок управления о завершении водозаполнения. Блок управления предназначен для включения вакуумного агрегата и отражения (индикации) окончания водозаполнения. Вакуумный агрегат (рисунок 2.8) состоит из шиберного насоса 3 и блока электропривода. Шиберный насос состоит из ротора 23 с четырьмя лопатками 22, двух патрубков 20 и 21 для присоединения воздухопроводов и системы смазки. При вращении ротора (против часовой стрелки, см. сечение А-А) лопатки образуют замкнутые рабочие полости. Движение воздуха из всасывающего окна в рабочие полости и из рабочих полостей в выхлопное окно происходит за счет перепадов давлений. Смазка трущихся поверхностей осуществляется маслом, которое подается в полость шиберного насоса из бачка 26 за счет разрежения. Расход масла определяется жиклером 2. Блок электропривода состоит из электродвигателя 10 и тягового реле 7. На конце вала якоря 11 установлена втулочная муфта 12, предназначенная для передачи крутящего момента ротору шиберного насоса, а также для центрирования якоря 11.

ПРИМЕЧАНИЕ. В связи с этим, включение электродвигателя после отстыковки не допускается.

Тяговое реле 7 обеспечивает коммутацию силовых цепей. Дополнительное реле 4 является коммутирующим элементом между блоком управления и тяговым реле 7.

Шиберные насосы создают большое разрежение и постоянно готовы к включению, не требуя никаких предпусковых операций. Для увеличения создаваемого разрежения и уменьшения износа деталей в их внутреннюю полость периодически подают жидкую смазку. Известны насосы с автоматической смазкой, а также не требующие смазки благодаря подбору материалов для пластин и корпуса. Широкому распространению вакуумнасосов этого типа на ПА до сих пор препятствовала относительная сложность изготовления, а также необходимость введения специального привода и механизма его выключения.

Как правило, шиберные насосы приводятся во вращение от вала центробежного насоса через фрикционную передачу, реже от отдельного электродвигателя..

ГЛАВА 3. АНАЛИЗ ВОЗМОЖНЫХ СОВРЕМЕННЫХ ТЕХНИЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ.

3.1 Общие положения.

Выбор конкретного типа насосной вакуумной системы определяется поставленной задачей создания современного пожарно-насосного агрегата, который с требуемыми напорно-расходными характеристиками должен обеспечивать в автономном режиме процесс автоматического само заполнения ВРЛ и рабочего органа центробежного насоса в период начала работы или при срыве подачи воды на пожаротушения. Безусловно, основным элементом вакуумной системы является собственно насос. Выбор конкретного типа насоса определяет конструкцию автоматической системы в целом, которая включает дополнительно устройство привода насоса, источник энергии, соединительную и запорную арматуру, контрольно-измерительные приборы и регулирующие устройства. В этой связи представляется целесообразным рассмотреть известные автоматические вакуумные системы, применяемые на центробежных пожарных насосах.

3.2 Автоматические системы водозаполнения центробежных пожарных насосов.

На пожарных насосах применяют три схемы автоматического управления вакуум-системами: гидравлическое, электрическое и электропневматическое. Примеры гидравлического управления поршневыми, водокольцевыми и шиберными насосами.

Вариантом гидравлического автоматического управления струйным насосом может служить вакуумная система отечественной мотопомпы МП-1600 (рисунок 3.1). Она состоит из вакуум-насоса струйного типа, установленного в системе выпуска газов, вакуумного затвора, гидрокамеры с резинотканевой диафрагмой и возвратной пружиной, трубопроводов с тяг, соединяющих гидрокамеру с вакуум-насосом и вакуумным затвором.

Эксцентриковый вакуумный затвор по своей конструкции аналогичен применяемым на отечественных ПА, но имеет более простое устройство (один клапан, вместо двух). Открывание и закрывание вакуумного затвора происходит одновременно с включением и выключением вакуумнасоса под действием гидрокамеры или ее возвратной пружины. Выключение вакуумной системы происходит при давлении 1,5−2 кгс/см в напорной полости насоса.

1 — труба от насоса к вакуум клапану; 2 — прокладка; 3 — труба от вакуум-клапана к газоструйному вакуум-аппарату; 4 — гидрокамера; 5 — тяга; 6 — рукоятка с тягой; 7 — труба выхлопная; 8 — труба приемная; 9 — газоструйный вакуум-аппарат; 10 — диффузор; 11 — пружина.

Рисунок 3.1 - Вакуум-система мотопомпы МП-1600.

Если двигатель ПА или мотопомпы не имеет ограничителя частоты вращения, то при срыве водяного столба он может выйти на максимальные обороты и пойти в разнос. Автоматическое выключение струйного вакуумнасоса в этом случае предотвращает резкое увеличение частоты вращения двигателя. Для повышения безопасности предусматривают иногда систему аварийной остановки двигателя путем автоматического выключения зажигания в случае исчезновения давления в напорной полости насоса или давления масла в системе смазки двигателя.

Этой системой пользуются в тех случаях, когда оператор не может постоянно находиться около агрегата.

В ОКБ ПМ в 60-х годах был также изготовлен и испытан экспериментальный образец подобной автоматической вакуумной системы, смонтированной на пожарной автоцистерне ПМЗ-27 (шасси ЗИЛ-157К, насосная установка заднего расположения, вакуум-насос струйный одноступенчатый). Включение вакуум-насоса обеспечивалось пружиной, а выключение — гидрокамерой. На всасывающей полости центробежного насоса был установлен автоматический вакуумный затвор шарикового типа, который был соединен трубопроводом с камерой разрежения вакуум-насоса.

Вместо напорных задвижек, центробежный насос был снабжен шаровыми кранами, управляемыми гидрокамерами или вручную. Все операции по забору воды и пуску насоса были сведены к одновременному включению коробки отбора мощности и системы гидроавтоматики (одним рычагом), а затем регулированию частоты вращения двигателя.

Испытания системы показали, что ввиду значительного диаметра трубопроводов выхлопного тракта автомобилей ЗИЛ и заметного давления в них во время работы вакуум-насоса (более 0,2 МПа), для выключения вакуум-насоса без снижения частоты вращения двигателя требуется большое усилие. Это определило значительные размеры гидрокамеры, потребовало применения сильной возвратной пружины и жестких тяг. Узлы системы заняли значительное место в насосном отделении. Дальнейшие работы по этой системе не проводились.

Электрическая система для автоматического забора воды и управления работой насосной установкой была разработана и испытана на опытных образцах пожарных автомобилей АЦ-112, АД-126 и АН-127.

Такая система обеспечивала включение и выключение струйного вакуум-насоса и электрического вакуумного затвора, поддерживала заданное давление в напорной полости центробежного насоса, автоматически изменяя частоту вращения двигателя. При срыве водяного столба автоматически повторялся забор воды. Вместо задвижек на насосе были применены шаровые краны, которые открывались и закрывались по заданной программе без вмешательства оператора.

Проведение испытаний показало, что система в принципе работоспособна. Дальнейшие работы над ней были прекращены из-за отсутствия электромеханизмов с необходимым крутящим моментом (на напряжение 12 В), неприспособленности заводов отрасли к производству блоков управления и электрических приборов (датчик давления, гидроконтракт), а также общей сложности системы.

В процессе испытаний наблюдались отказы в работе, вызванные невысоким качеством изготовления, недостаточным крутящим моментом электромеханизмов МЗК-2 и другими неполадками.

Следует отметить, что при проектировании рассматриваемой системы разработчики приняли сразу программу-максимум, что создало ряд дополнительных трудностей. Было предусмотрено и дублирующее ручное управление всеми операциями.

Несомненный интерес представляет электропневматическая система автоматического управления работой насосной установки, применяемая фирмой «Magirus» (Германия) на пожарных автоцистернах и автомобилях комбинированного тушения (рисунок 3.2).

Автоматика включается одной кнопкой, начинает работать только при давлении в пневмосистеме автомобиля более 4,5 кгс/см² и выполняет следующую программу (строго в установленной последовательности):

а) выключение сцепления, включение отбора мощности, включение сцепления;

б) включение струйного вакуум-насоса с одновременным повышением частоты вращения двигателя до оптимальной работы эжектора;

в) выключение вакуум-насоса после окончания заливки центробежного насоса.

В случае срыва водяного столба забор воды повторяется автоматически. Во время работы центробежного насоса частота его вращения регулируется с помощью рычага, находящегося в насосном отделении. На всех операциях имеется дублирующее ручное управление, причем управление сцеплением и КОМ обеспечивается вручную только из кабины водителя.

Система содержит три пневмоцилиндра (для сцепления, КОМ и вакуум-насоса), блок управления с электропневмовентилями, комплектом реле и клапаном-ограничителем давления в пневмосистеме автомобиля, щит управления с тумблером включения питания, кнопкой пуска и сигнальными лампами, датчик давления, а также рычаги и тяги дублирующего ручного управления. Пуск насосной установки производится нажатием на кнопку. Дальнейшие операции протекают без вмешательства оператора, который может наблюдать за ходом процесса по сигналам контрольных ламп, находящихся на щите управления. В насосном отделении расположено два рычага: регулирования подачи топлива и дублирующий рычаг включения вакуумнасоса. Выключение насосной установки производится нажатием на пусковую кнопку после перевода двигателя на холостые обороты. При проверке насоса и его коммуникаций на сухой вакуум отключают автоматику и переходят на ручное управление.

1 — рукоятка переключения для отбора мощности; 2 — механизм переключения для автоматического эжектора; 3 — коробка управления; 4 — рукоятка регулирования подачи топлива; 5 — щит управления; 6 — педаль сцепления; 7 — тормозной воздушный резервуар, 10 л; 8 — резервуар сжатого воздуха, 20 л; 9 — рукоятка для эжектора; 10 — центробежный насос; 11 — шланг «флексатроль» для спускного клапана; 12 — контрольная лампочка; 13 — тяга для отбора мощности; 14 — рабочий цилиндр для отбора мощности; 15 — командоконтроллер у отбора мощности; 16 — командоконтроллер у отбора мощности (трехполюсной); 17 — командоконтроллер для включения и выключения эжектора; 19-рабочий цилиндр для эжектора; 20 — реле для водяного давления; 21 — рабочий цилиндр для сцепления; 23 — дроссельный клапан; 24 — перепускной клапан, не допускающий обратного течения; 25 — шланг «флексатроль» для регулировки подачи топлива.

Рисунок 3.2 — Электропневматическая система автоматического управления работой насосной установки, применяемая фирмой «Magirus» (Германия) на пожарных автоцистернах и автомобилях комбинированного тушения..

3.3 Выбор типа вакуумной системы для пожарно-насосного агрегата.

Проведенный обзор и анализ известных вакуумных систем цетробежных насосов ПА показал следующее; с позиций автоматизации забора воды и пуска насоса наибольшее удобство обеспечивают автономные вакуумные системы, которые полностью монтируются на пожарном насосе и не связаны с другими агрегатами и системами пожарного автомобиля. В них могут быть использованы поршневые, водокольцевые и шиберные вакуум-насосы.

Применение струйных вакуум-насосов, монтируемых в выхлопной линии, исключает возможность создания автономных систем, требует введения трубопроводов между вакуумным и центробежным насосами, а также электрического или электропневматического управления включением. В обоих случаях конструкция системы значительно усложняется, что видно на примерах отечественных экспериментальных систем такого типа, а также системы, применяемой на некоторых ПА фирмой «Magirus» (Германия).

При выборе способа заливки центробежного насоса следует отдать предпочтение системам, в которых заливка центробежного насоса ведется при вращении его ротора. Это позволяет не пользоваться муфтой сцепления ПА во время забора воды, что существенно упрощает управление и облегчает его автоматизацию.

На отечественных ПА в настоящее время доминирует забор воды при неподвижном роторе центробежного насоса. В таких системах водитель перед включением вакуум-насоса должен остановить центробежный насос, а после окончания забора воды вновь включить его привод, что трудно поддается автоматизации. На многих современных зарубежных ПА, а также на всех отечественных мотопомпах успешно применяется забор воды при вращении ротора центробежного насоса.

Как было отмечено, в автономных системах могут быть использованы поршневые, водокольцевые и шиберные вакуум-насосы.

Поршневые насосы быстро изнашиваются при попадании в них загрязненной воды, довольно сложны по конструкции и кроме того не являются ротационными. Для их привода необходимы дополнительные механизмы: кривошипно-шатунный, кулисный или эксцентриковый.

Усложняется и механизм включения. В известных конструкциях применяют электромагнитную муфту (фирма «Rosenbauer») или принудительный отвод поршней от приводного устройства за счет давления в напорной полости насоса, возникающего после его пуска (фирма «Ziegler»). В обоих случаях это приводит к заметному усложнению конструкции, а во втором чревато замерзанием системы в зимнее время.

Водокольцевые насосы требуют перед пуском заливки водой, а при низких температурах — антифризом. Они тоже чувствительны к загрязненной воде, в особенности если включаются не периодически, а постоянно вращаются вместе с центробежным насосом (встроенный вариант, как у мотопомпы фирмы «Bachert» и отечественной МП-13, на пожарных насосах ПН-40 московского завода им. Калинина и НЦС-15). По мере увеличения торцовых зазоров между рабочим колесом и корпусом разрежение, создаваемое водокольцевым насосом прогрессивно снижается.

Шиберные вакуум-насосы наиболее подходят для использования в автономных автоматических вакуумных системах. Они не требуют предварительного заполнения жидкостью перед пуском, являются ротационными, а их смазка может быть автоматизирована (например, по типу насосов французской фирмы «Sides»). В других областях техники, к примеру, в широко распространенных в нашей стране вакуумных доильных установках, используются шиберные насосы, работающие без смазки. Их шиберы (пластины) изготавливают из текстолита, предварительно пропитанного маслом.

В существующих конструкциях применяются электрические, электропневматические и гидравлические системы управления забором воды.

Наибольшую простоту и надежность применительно к автономным вакуумным системам обеспечивает гидравлическое управление, в котором в качестве источника энергии используется давление в напорной полости центробежного насоса, а также сила возвратной пружины, срабатывающей при отсутствии упомянутого давления (остановка насоса, срыв водяного столба).

Электрическое и электропневматическое управление связано с созданием достаточно сложных электрических схем, применением значительного количества покупных изделий, а также с освоением производства некоторых нестандартных изделий электрооборудования. В электропневматических системах требуются, кроме того, пневмоцилиндры, трубопроводы и электропневмоклапаны, что дополнительно усложняет конструкцию и лишает систему автономности.

На напорных патрубках пожарных насосов нормального давления используют, как правило, винтовые (вентили) различных типов: с поворачивающимися на оси клапанами, со свободно падающими подпружиненными клапанами тарельчатого типа, с рычажными усилителями.

На современных ПА применяют в основном задвижки первых двух типов и значительно реже — третьего типа (на напорных трубопроводах больших сечений). Второй тип получил большое распространение в Западной Европе. При остановке насоса или срыве водяного столба такие задвижки автоматически закрываются и обеспечивают герметичность во время работы вакуумной системы. После того, как насос разовьет давление, они самостоятельно открываются, что способствует автоматизации процесса забора воды и пуска насоса.

Таким образом, из проведенного обзора и анализа конструкций вакуумных систем современных ПА, а также способов управления ими следует, что в качестве основного направления работ по созданию автоматической системы водозаполнения целесообразно принять:

а) тип вакуумной системы — автономная, т. е. полностью монтируемая на пожарном насосе, б) способ заливки — при вращающемся роторе центробежного насоса, тип вакуум-насоса — шиберный (пластичный),.

в) источник энергии для управления системой — давление воды в напорной полости центробежного насоса, г) запорные органы центробежного насоса — самозакрывающиеся вентили с падающими подпружиненными клапанами.

Это позволит получить наиболее простое, не металлоемкое, а также приспособленное к производственным возможностям предприятий подотрасли и к климату нашей страны решение поставленной задачи.

Пожарный насос с автономной автоматической вакуумной системой будет являться унифицированным агрегатом для ПА различного тактического назначения.

3.4 Оптимизация параметров насосно-рукавных линий.

На основании проведенных исследований и экспериментальных данных, полученных при испытаниях макетных образцов, построим график, оптимальной зависимости нарастания разрежения от времени (таблица 3.4.1,.

Рисунок 3.4.1), руководствуясь максимальной величиной создаваемого разрежения и временем его создания.

Требуемое давление вакуум-насоса (с учетом скорости падения разрежения вследствие не плотностей) определяется по формуле (3.4.1):

(3.4.1).

где P_в — давление вакуум-насоса;

P_вак — вакуумметрическая высота всасывания, принимаем ;

равным.

— скорость падения разрежения вследствие не плотностей, принимаем равным ;

— время падения разряжения, принимаем равным 40 с.

Исходными данными для расчета основных параметров опытного образца вакуумной системы водозаполнения пожарно-насосного агрегата являются: объем всасывающей рукавной линии диаметром 125 мм длиной 8,0 м, равный; вакуумметрическая высота всасывания); требуемое время заполнения системы.

Таблица 3.4.1 — Зависимости нарастания разрежения от времени.

Рисунок 3.4.1- Оптимальная зависимость нарастания от времени.

3.5 Расчет производительности вакуумной системы.

Режим течения газа при откачке можно считать квазистационарным, т. к, очевидно, выполняется условие согласно формуле 3.5.1:

(3.5.1).

где — изменение объема камеры вследствие понижения давления;

U — пропускная способность трубопровода, принимаем равным 50 л/с;

— изменение сечение камеры вследствие понижения давления;.

— изменение объема камеры вследствие изменения сечения камеры.

При этом справедливо соотношение согласно формуле (3.5.2):

(3.5.2).

где — сечение камеры.

Откуда:

(3.5.3).

Анализ экспериментальных данных, полученных при испытаниях макетных образцов показал, что пропускная способность трубопровода U в малой степени зависит от давления и для упрощения ее можно считать постоянной: для трубопровода сечением и длиной L = 1 м.

Для определения воспользуемся выражением согласно формуле 3.5.4:

(3.5.4).

(3.5.5).

где — начальный объем камеры разрежения, принимаем равным 0,14 мі;

Изменение объема будем учитывать из расчета вертикального расположения всасывающей линии по формуле (3.5.6):

(3.5.6).

где — разрежение во всасывающей линии, МПа;

— диаметр всасывающего рукава, принимаем равным 0,125 м;

— коэффициент запаса, учитывающий сопротивление в рукаве, принимается по приближенным расчетам наибольшего сопротивления равным 0,9.

Имея оптимальную функцию нарастания разрежения (таблица 3.4.1, рисунок 3.4.1), получаем зависимость оптимальной производительности системы водозаполнения от разрежения .

Результаты расчета сведены в (таблице 3.5.1) и показаны графически на (рисунке 3.5.1).

Порядок вычисления скорости откачки:

а) по графику (рисунок 3.5.1) определяем разрежение в моменты времени и ;

б) определяем среднее разрежение по формуле (3.5.7):

(3.5.7).

где — разрежение в интервале времени t₁;

— разрежение в интервале времени t₂.

в) определяем приращение абсолютного давления в камере за время согласно формуле 3.5.8:

(3.5.8).

г) определяем среднее значение абсолютного давления в камере по формуле (3.5.9):

(3.5.9).

где — атмосферное давление, принимаем равным ;

д) определяем среднее значение объема камеры откачки по формуле (3.5.10) :

(3.5.10).

е) определяем среднюю скорость откачки камеры по формуле (3.5.11):

(3.5.11).

ж) определяем среднюю скорость откачки вакуум-насоса по формуле (3.5.12) в интервале времени :

(3.5.12).

Определяем требуемую среднюю производительность вакуум-насоса во всем диапазоне разрежения согласно формуле 3.5.13:

(3.5.13).

в результате расчета получаем равным.

Таблица 3.5.1 — Расчет скорости откачки.

Рисунок 3.5.1 - Зависимость оптимальной производительности от разрежения.

В соответствии с работой зависимость производительности шиберного вакуум-насоса от разрежения определяется согласно формуле (3.5.14):

(3.5.14).

где — начальная производительность вакуум-насоса (при давлении всасывания равном атмосферному);

— атмосферное давление.

По этой формуле можно получить связь между начальной и средней производительностью вакуум-насоса в заданном интервале разрежения согласно формуле 3.5.15:

(3.5.15).

где — средняя производительность вакуум-насоса.

Подставляя в последнюю формулу требуемое значение средней производительности вакуум-насоса, максимальное разрежение, получаем требуемое значение начальной производительности, равным .

ГЛАВА 4. ПРЕДСТАВЛЕНИЕ ПРЕДЛАГАЕМОГО ТЕХНИЧЕСКОГО РЕШЕНИЯ.

4.1 Представление водоотделителя (графическая часть на 1-ом листе).

Работа вакуумных насосов основана на откачке, которая осуществляется благодаря изменению размерных характеристик рабочей камеры. Все вакуумные насосы работают на основе принципа вытеснения (механизм схожий с принципом работы объемных насосов). Величина полученного в результате работы насоса вакуума, будет напрямую зависеть от степени герметичности создаваемого фрагментами насоса рабочего пространства. В итоге насос снижает давление в определенном пространстве до конкретной величины, забирая при этом из него газ. Вакуумный насос может откачивать только газы из рабочей полости шиберного насоса, а так как есть вероятность попадания воды в вакуумный насос которая приведет к его поломке или ускорит износ его деталей. Я хочу представить техническое решение, которое поможет избежать такого рода поломки. Техническое решение, называемое водоотделитель.