Перелік умовних скорочень

АБК	автоматичний блок керування
АВС	абразивовмісне середовище
АГР	автоматичний гідророзподільник
АР	агресивне середовище
АЦП	аналогово-цифровий перетворювач
ВВС	високов’язке середовище
ГІП	гідроімпульсний привод
ГП	гідравлічний привод
ГУ	граничні умови
ДП	давач переміщень
ДТ	давач тиску
ЕОМ	електронна обчислювальна машина
ККД	коефіцієнт корисної дії
МНА	мембранний насосний агрегат
НГПА МНАГІП	насосний гідроприводний агрегат мембранний насосний агрегат з гідроімпульсним приводом
ПГС	приводна гідросистема
ПС	перекачуване середовище

ВСТУП

Надійність, герметичність, широкий діапазон регулювання робочих параметрів і відносно високі значення коефіцієнта корисної дії – основні переваги відомих гідроприводних насосних агрегатів. В той же час, промислово розвинуті країни витрачають біля третини виробленої електроенергії на інші приводи насосних агрегатів [149].

Саме тому виникає необхідність подальшого розвитку і вдосконалення існуючих розробок гідравлічних приводів насосних агрегатів, які завдяки своїй високій ефективності та регульованості робочих параметрів забезпечать можливість більш раціонального способу їх експлуатації і зменшення витрат на енергоспоживання.

Актуальність теми. При будівництві і експлуатації нафто- і газопроводів, теплових мереж, мереж водопостачання і водовідведення, осушуванні котлованів часто виникає необхідність проведення робіт в польових умовах за відсутності мережевого електроживлення, а тому є значна потреба у ефективному занурювальному насосному обладнанні для відкачування сильнозабрудненої води з твердими включеннями, пульпи, хімічно активних рідин, нафтопродуктів. Окрім того, в хімічній, нафтовій та харчовій промисловості також є аналогічні проблеми, що пов’язані з перекачуванням агресивних, високов’язких чи забруднених рідких середовищ. Традиційно для цього використовуються автономні вітчизняні та імпортні насоси із приводними двигунами внутрішнього згорання чи асинхронними електродвигунами, як правило, з відцентровими робочими органами, які пристосовані до відповідних умов відкачування агресивних та забруднених рідин. Негативні наслідки використання насосів такого типу – незначний коефіцієнт корисної дії, малий строк служби і низька надійність в роботі. Обов’язкове корозійностійке виконання робочих органів через складну технологію їх виготовлення призводить до різкого підвищення собівартості таких насосів. Ефективним вирішенням цієї проблеми є застосування занурювальних насосних агрегатів із гідроприводом. Гідроприводні насосні агрегати з робочим органом мембранного типу можуть використовуватися як навісне змінне устаткування на мобільних транспортних засобах з гідросистемою подачі мастила (трактори, екскаватори, автомобілі тощо). Використання гідроприводів для насосних агрегатів у вищезазначених галузях промисловості суттєво поліпшить вихідні параметри та характеристики вже морально застарілих та малоефективних приводів насосів, а саме: будуть зменшені маса і габарити, підвищено коефіцієнт корисної дії, стане можливим забезпечення заданого закону руху робочого органу насосного агрегату та здійснення дистанційного керування його продуктивністю і тиском нагнітання.

Таким чином, створення компактного гідропривода для насосних агрегатів з широкими можливостями регулювання, що призначені перекачування високов’язких, агресивних та абразивовмісних середовищ, який задовольнить вимогам вибухо- та пожежобезпеки та забезпечить максимальну продуктивність і напір насосного агрегату при високому загальному коефіцієнті корисної дії, є актуальною задачею.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Основний зміст роботи складають результати досліджень, що проводились протягом 2006 – 2009 років. Дисертаційна робота є складовою державної бюджетної теми № 82-Д-312 “Зменшення техногенного навантаження на навколишнє середовище енергозберігаючих систем утилізації органічних відходів” [59], номер держреєстрації 0108U000667 (виконавець розділу робіт), строки виконання якої з 01.01.2008 р. по 31.12.2010 р. згідно пріоритетного напряму “Новітні технології та ресурсозберігаючі технології в енергетиці, промисловості та агропромисловому комплексі” відповідно до наказу Міністерства освіти і науки України № 1044 від 27.11.2007 р., госпдоговірної теми № 9320 “Розробка насосного гідроприводного агрегату для перекачування в’язких текучих середовищ” між ВНТУ та ППФ “Кастор” [161], номер державної реєстрації 0108U009389 (відповідальний виконавець) та договорів про творчу співдружність. Згідно зазначених договорів здійснювалась розробка та дослідження насосів з гідравлічним приводом для перекачування агресивних та високов’язких середовищ. Тема роботи відповідає основним науковим напрямкам досліджень Науково-дослідної лабораторії гідродинаміки Вінницького національного технічного університету, в якій виконувалась дана робота за темою дисертації.

Мета і завдання дослідження. Метою роботи є створення гідроімпульсного привода мембранного насосного агрегату для перекачування високов’язких, агресивних та абразивовмісних середовищ з максимальною продуктивністю і напором насосного агрегату при високому загальному коефіцієнті корисної дії.

Для досягнення поставленої мети необхідно розв’язати такі завдання:

– провести аналітичний огляд відомих конструкцій насосних агрегатів для перекачування високов’язких, абразивовмісних та агресивних середовищ та типів їх приводів, з метою вибору найбільш ефективного привода для мембранного насосного агрегату з регульованими робочими характеристиками;

– виконати аналіз відомих теоретичних досліджень динаміки робочих процесів у гідроприводах зворотно-поступальної дії;

–  розробити гідроімпульсний привод мембранного насосного агрегату для перекачування високов’язких, агресивних та абразивовмісних середовищ з блоком керування – автоматичним гідророзподільником;

– виконати математичне моделювання робочих процесів запропонованої конструкції гідроімпульсного привода мембранного насосного агрегату з автоматичним гідророзподільником, а також його чисельне імітаційне дослідження на ЕОМ; обґрунтувати раціональні конструктивні і робочі параметри, характеристики і режими роботи гідроімпульсного привода та мембранного насосного агрегату;

– розробити математичну модель оцінки технічного стану мембранного насосного агрегату з гідроімпульсним приводом;

– експериментально дослідити роботу запропонованого дослідного зразка мембранного насосного агрегату з гідроімпульсним приводом та виконати порівняння результатів, що одержані шляхом проведення експериментальних досліджень з результатами математичного моделювання, з метою вироблення практичних рекомендацій для раціонального вибору конструктивних та приводних параметрів перспективних насосних агрегатів і встановлення сфери їх ефективного використання;

– розробити методику проектного розрахунку параметрів гідроімпульсного привода мембранного насосного агрегату для перекачування високов’язких, агресивних та абразивовмісних середовищ.

Об'єкт дослідження – процеси в гідроімпульсному приводі і мембранному насосному агрегаті.

Предмет дослідження – гідроімпульсний привод мембранного насосного агрегату для перекачування високов’язких, агресивних та абразивовмісних середовищ.

Методи дослідження. Для аналізу і вирішення поставлених завдань використані такі методи дослідження: теоретичні дослідження проводилися методами математичного моделювання робочих процесів в мембранному насосному агрегаті та гідроімпульсному приводі з використанням основних законів механіки твердого тіла, теорії гідропривода і гідроавтоматики, теорії моделювання та системного аналізу, числових методів розв’язання систем лінійних і нелінійних диференційних та алгебраїчних рівнянь. Метод нечітких множин був використаний для побудови математичної моделі діагностування технічного стану насосного гідроприводного агрегату. Для обробки експериментальних даних використовувались методи математичної статистики та регресійного аналізу, а також програмне середовище Borland Delphi, для оптимізації параметрів насосного агрегату після проведення експериментів використовувався пакет Mathcad. Реалізація математичних моделей здійснювалось в програмному середовищі MATLAB. Поставлені задачі розв’язувались з використанням ЕОМ.

Наукова новизна одержаних результатів полягає в наступному:

1. Вперше розроблена математична модель динаміки робочого процесу гідроімпульсного привода мембранного насосного агрегату, яка відрізняється поєднанням в одній математичній моделі рівнянь динаміки робочого процесу мембранного насосного агрегату та комбінованого автоматичного гідророзподільника керування гідроімпульсним приводом, що дозволяє визначати раціональні конструктивні параметри як складових насосного агрегату та комбінованого автоматичного гідророзподільника, так і характеристики приводної гідросистеми, які забезпечують оптимальні режими роботи гідроімпульсного привода та мембранного насосного агрегату.

2. Отримані нові аналітичні залежності для визначення динамічних параметрів гідроімпульсного привода та мембранного насосного агрегату з врахуванням впливу їх конструктивних і приводних параметрів, елементів конструкції комбінованого автоматичного гідророзподільника, що можуть бути покладені в основу проектних розрахунків гідроімпульсних приводів насосів різних типорозмірів.

3. На підставі проведених теоретичних і експериментальних досліджень розроблено нову математичну модель з використанням теорії нечітких множин для діагностування насосних гідроприводних агрегатів, що дозволяє визначати технічний стан гідроімпульсного привода та мембранного насосного агрегату і можливі причини його погіршення в процесі роботи.

4. Науково обґрунтовані раціональні робочі параметри і характеристики та оптимальні режими роботи гідроімпульсного привода з комбінованим автоматичним розподільником та мембранного насосного агрегату, що приводиться в дію цим приводом.

Практичне значення одержаних у роботі результатів полягає в наступному:

1. Розроблено гідроімпульсний привод мембранного насосного агрегату для перекачування високов’язких, агресивних та абразивовмісних середовищ з блоком керування – комбінованим автоматичним гідророзподільником, який дозволяє забезпечувати заданий закон руху робочого органу мембранного насосного агрегату та плавну зміну його вихідних параметрів і робочих характеристик.

2. Доведена експериментально і експлуатацією в промислових умовах доцільність використання гідроімпульсного привода із запропонованими автоматичними гідророзподільниками для мембранних насосних агрегатів, що призначені для перекачування високов’язких, агресивних і абразивовмісних середовищ.

3. На підставі розробленої математичної моделі створено пакет прикладних програм: із використанням пакету розширення Simulink середовища MATLAB 7.7 – для математичного моделювання динаміки робочого процесу гідроімпульсного привода мембранного насосного агрегату та в пакеті прикладних програм Fuzzy Logic Toolbox середовища MATLAB 7.7 – для виявлення несправностей гідроімпульсного привода мембранного насосного агрегату за показниками його технічного стану.

4. На основі проведених теоретичних і експериментальних досліджень розроблена інженерна методика проектування та рекомендації щодо вибору раціональних робочих параметрів та режимів експлуатації гідроімпульсних приводів мембранних насосних агрегатів у виробничих умовах житлово-комунального господарства, нафтової, хімічної та харчової промисловості.

5. Запропоновані нові технічні рішення, реалізовані в досліджуваних мембранних насосних агрегатах з гідроімпульсним приводом та комбінованими автоматичними гідророзподільниками, які здійснюють керування періодичними ходами виконавчих органів насосних агрегатів, що підтверджено визнанням їх винаходами (принципові схеми і конструктивне виконання захищено 11 патентами України), які відрізняються поліпшеними робочими параметрами та характеристиками.

Розроблені конструкції насосних агрегатів із гідроімпульсним приводом та результати проведених теоретичних і експериментальних досліджень, що отримані в дисертаційній роботі, впроваджено, згідно спільних договорів про творчу співдружність № 93/1 “Розробка та дослідження гідроприводного насосного агрегату” між ВНТУ та військовою частиною А2783 (відповідальний виконавець), № 93/2 “Розробка та дослідження мембранних насосів з гідроприводом для перекачування високов’язких рідин” між ВНТУ та ВАТ “ВІННІФРУТ” (відповідальний виконавець) і госпдоговору № 9320 “Розробка насосного гідроприводного агрегату для перекачування в’язких текучих середовищ” між ВНТУ та ППФ “Кастор” (номер державної реєстрації 0108U009389, відповідальний виконавець) у військовій частині А2783, на ВАТ “ВІННІФРУТ” Калинівського району та ППФ “Кастор” міста Вінниці, а також у навчальний процес Вінницького національного технічного університету.

Підтвердженням впровадження результатів дисертаційної роботи є наявність відповідних актів (Додаток А).

Особистий внесок здобувача. Аналітична оцінка робочих характеристик та функціональних можливостей відомих насосних агрегатів, їх приводів різних конструкцій та вибір напрямку вдосконалення. Розробка конструктивних рішень нових насосних агрегатів із гідравлічним приводом та автоматичним блоком керування. Математичне моделювання робочих процесів із експериментальною перевіркою, розробка практичних рекомендацій. Основні теоретичні, розрахункові та експериментальні результати з формулюванням відповідних висновків отримані автором самостійно. Окремі результати отримані в співавторстві, у цих випадках особистий внесок автора в патентах на корисні моделі, статтях та тезах наведено у супроводжуючих документах та нижче: розроблена математична модель робочого процесу мембранного насоса з пристроєм автоматичного реверсування напряму руху поршня силового гідроциліндра його привода гідравлічним автоматом реверсу – клапаном-пульсатором [145]; розроблена і досліджена математична модель взаємодії гідропривода насосного вузла з блоком керування – клапаном-пульсатором [138]; розроблена математична модель робочого процесу поршневого насоса-перетворювача з гідравлічним приводом, керування яким здійснюється за допомогою гідравлічного автомата реверсу – автоколивального двоходового золотника [131, 132]; запропонована і досліджена математична модель гідропривода поршневого насоса [135]; запропоновано конструктивне виконання устаткування для імпульсного нагнітання сумішей в ґрунт основ фундаментів, що базується на застосуванні гідравлічного привода, керування яким здійснюється за допомогою гідравлічного генератора імпульсів тиску [144]; запропоновано математичну модель на основі теорії нечітких множин для оцінки технічного стану насосних гідроприводних агрегатів [139, 141]; запропоновано конструктивне виконання гідроімпульсного ін’єктора для нагнітання будівельних сумішей при реконструкції будівель та споруд [133]; експериментально встановлено взаємний вплив та отримані графічні залежності між параметрами приводної гідросистеми та мембранного насосного гідроприводного агрегату [137]; запропоновано блок керування для забезпечення зворотно-поступального руху диференційних поршнів компресора з гідроприводом [129]; запропоновано конструкцію розподілювача клапанного типу, виконаного у вигляді автоматичного блока керування, який дозволив розширити функціональні можливості пристрою в цілому [119]; розроблені конструктивні схеми та виконано розрахунок конструктивних параметрів гідророзподільних пристроїв гідроприводних насосів мембранного типу [120-128].

Апробація результатів дисертації. Основні положення та результати виконаних в дисертації досліджень доповідались та обговорювались на таких міжнародних і регіональних конференціях та наукових семінарах: V міжнародна науково-технічна конференція “Вібрації в техніці та технологіях” (м. Вінниця, 2004 р.); Всеукраїнський конкурс студентських наукових робіт (м. Івано-Франківськ, 2006 р.); ХІІІ міжнародна конференція з автоматичного управління “Автоматика – 2006” (м. Вінниця, 2006 р.); всеукраїнська науково-технічна конференція “Альтернативні екологічно чисті та відновлювальні джерела енергії” (м. Вінниця, 2007 р.); міжнародна XVI науково-технічна конференція “Теорія та практика процесів подрібнення, розподілу та змішування та ущільнення матеріалів” (м. Одеса, 2008 р.); міжнародна науково-практична конференція молодих вчених “Техніка і прогресивні технології у нафтогазовій інженерії” (м. Івано-Франківськ, 2008 р.); українська науково-практична конференція “Хімічна та екологічна освіта: стан і перспективи розвитку” (м. Вінниця, 2008 р.); 16 международная конференция “Современные методы и средства неразрушающего контроля и технической диагностики” (м. Ялта, 2008 р.); 1-а міжнародна науково-технічна конференція “Теорія та практика раціонального проектування, виготовлення і експлуатації машинобудівних конструкцій” (м. Львів, 2008 р.); XIII – XIV міжнародні науково-технічні конференції “Гідроаеромеханіка в інженерній практиці” (м. Київ, 2008 р.; м. Київ – м. Чернівці, 2009 р.); IX міжнародна науково-технічна конференція “Вібрації в техніці та технологіях” (м. Вінниця, 2009 р.); науково-технічна конференція “Енергозбереження в галузях національного господарства” (м. Вінниця, 2009 р.); щорічні ХХХIII-ХХХVІІІ науково-технічні конференції професорсько-викладацького складу, співробітників та студентів університету з участю працівників науково-дослідних організацій та інженерно-технічних працівників підприємств м. Вінниці та області на базі ВНТУ в 2004 – 2009 роках.

Публікації. Основний зміст роботи опублікований в 26 друкованих працях, в тому числі 11 статей в наукових журналах, що входять до переліку ВАК України, 11 патентів України на корисні моделі, 4 тези доповідей у збірниках праць науково-технічних конференцій різного рівня.

Структура дисертації. Дисертаційна робота складається зі вступу, п’яти розділів, висновків, чотирьох додатків, списку використаних джерел. Повний обсяг дисертації 217 сторінок. Основний зміст викладено на 148 сторінках друкованого тексту, ілюструється 60 рисунками та 11 таблицями. Додатки містять 19 сторінок. Список джерел має 204 найменування.