» » Рабочие колеса насосов из полимерных композиций

Рабочие колеса насосов из полимерных композиций

30.08.2016

Как было показано ранее, работоспособность колес центробежных насосов повышается, а прочность обеспечивается, если их изготавливать из износостойких термопластических пластмасс имеющих конечную изотропную структуру, — полиэтилена низкого давления, поликарбоната, стеклонаполненного капрона и др. Закрытая конструкция колес насосов предопределяет технологическую сложность их изготовления из материалов, подобных упомянутым.
В зарубежном и отечественном насосостроении продолжают проводиться исследования по изысканию оптимальных схем технологического процесса изготовления деталей из полимеров, отвечающих необходимым технико-экономическим требованиям. К основным способам переработки изделий из пластмасс относятся прессование, литье под давлением, экструзия, вакуум-формирование, выдувание, штамповка. В некоторых случаях применяется и механическая обработка из блоков материала.
Применение полимерных композиций для изготовления рабочих колес шахтных центробежных насосов связано со значительными технологическими трудностями. Колесо центробежного насоса представляет собой пространственную конструкцию закрытого типа (рис. 11.5): основной 1 и покрывной 3 диски, соединеные спиральными лопатками 2. Закрытое рабочее колесо можно изготавливать из полимерных материалов двумя путями — прессованием и литьем под давлением.
Изготовление колес прессованием

Метод осуществляется прессованием коренного диска колеса с лопатками и отдельно покрывного диска, которые затем соединяются при помощи склеивания, сварки ультразвуком, механическим путем (при помощи соединительных заклепок) или комбинированным способом.
Однако раздельное прессование или литьевая штамповка элементов колес — отдельно покрывного и основного дисков,— разработанные, в частности, ВНИИПТуглемашем, применительно к колесам шахтных насосов оказываются не вполне приемлемыми для массового производства колес, так как такими способами без усложнений не удается изготовить цельную деталь с внутренними полостями.
Метод прямого прессования был применен в ВИГМе им. М.М. Федорова для изготовления партии крупных колес (диаметром 375 мм) центробежного насоса ЦНС 60-100. Основной и покрывной диски изготавливались из стеклопластика АГ-4В путем горячего прессования и последующего соединения комбинированным способом — склеиванием и склепыванием. Испытания таких колес, проведенные в условиях 420-часовой работы насоса на откачке грунтовых вод из шахты им. Калинина ПО «Донецкуголь», показали высокие гидродинамические качества колес.
Несмотря на технологические трудности, процесс раздельного прессования и последующего соединения дисков экономически целесообразнее, чем изготовление металлических колес. Подобным образом выпускают скважинные электронасосы ЭЦВ8-25-195 с закрытыми колесами, ведущий диск которых изготовлен из полиамидной смолы 68-С, а ведомый — из смолы 68-Т20.
Колеса из литьевых термопластов

В соответствии с результатами экспериментальных исследований, показавших, что стекло-пресс-материалы имеют невысокую износостойкость, а также нуждаются в механических операциях по соединению дисков, метод раздельного прессования элементов колеса не рекомендован в качестве основного. ВИГМом им. М.М. Федорова решена задача создания цельнолитых колес без необходимости последующего соединения их элементов. Опыт показал, что монолитные пластмассовые детали необходимой конфигурации из износостойких материалов типа полиолефинов можно изготавливать методом литья под давлением.
Для оформления внутренних полостей при таком методе изготовления использован известный в производстве метод выплавляемых моделей: в литьевую форму перед заполнением ее расплавом полимера помещается стержень (знак), отвечающий конфигурации проточных каналов колеса. Стержень изготавливается предварительно из легкорастворимого или легкоплавкого материала (сплава). После заполнения формы пластмассой стержень удаляется из нее путем вымывания или выплавлением.
Технологический процесс состоит из отливки внутренних заполнителей (эта операция выполняется в специальной форме, называемой «стержневым ящиком»), литья колес в литьевой форме и выплавлении стержней. Стержневой ящик представляет собой конструкцию, аналогичную форме для изготовления стеклопластиковых рабочих колес и отличающуюся от нее отсутствием плит обогрева и мощных опорных плит.
Температура материала стержня, как установлено опытным путем, должна быть на 60—80° С меньше температуры расплава. Расплавленный материал через литниковые отверстия заливается в предварительно разогретый до 70—90° С стержневой ящик. После извлечения из формы, удаления литников и зачистки облоя стержень помещается в литьевую форму, предварительно смонтированную на литьевой машине.
Ввиду большого объема отливки изготовление колеса насоса ЦНМ 60-100 производилось на литьевой машине типа CSE-3150-1. Технологический процесс литья под давлением изделий из термопластов отличается цикличностью и определяется следующими основными параметрами: температурой и количеством материала в инжекционном цилиндре машины, давлением и скоростью инжекции, длительностью цикла литья, температурой формы, термическим КПД инжекционного и пластикационного цилиндров, величиной потери давления в инжекционном цилиндре и пластификационной способностью машины.
В общем виде процесс литья под давлением состоит из объемного или весового дозирования гранулированного материала, загрузки отмеренной дозы материала в обогреваемый инжекционный цилиндр, пластификации материала, смыкания и запирания формы, подвода инжекционного механизма к форме, впрыска пластифицированного материала из сопла инжекционного цилиндра в полость закрытой формы под действием шнека, выдержки под давлением, возвращения инжекционного механизма в исходное положение, охлаждения изделия в форме, размыкания формы и удаления из нее при помощи системы выталкивателей изделия и литника. После извлечения из формы колесо насоса, заполненное стержневой массой, помещается в ванну с нагретым до необходимой температуры глицирином. Эта операция преследует двоякую цель: выплавление стержневой массы и снятие остаточных напряжений в пластмассовой отливке, что позволяет избежать ее коробления.
Отлитые таким образом колеса для моноблочных насосов ЦНМ 60-100 имели весьма чистую внутреннюю поверхность, которая определяется главным образом чистотой поверхности пресс-формы, практически не требуют дальнейшей механической обработки. Литые полимерные колеса из стеклонаполненного капрона испытаны на насосах участкового водоотлива угольных шахт и показали высокие эксплуатационные качества.
Отметим, что рабочие колеса насосов ЦНМ 60-100 по своим размерам в настоящее время являются наибольшими из применяемых в шахтных центробежных насосах. Обоснование возможности изготовления таких крупных цельнолитых колес показывает перспективу метода литья по выплавляемым моделям для насосов любых серий и размеров, в том числе для осваиваемых промышленностью высоконапорных насосов.
Оценка прочности полимерных рабочих колес

Приведенные выше результаты исследования износостойкости и технологичности изготовления показали преимущества полимерных материалов перед традиционно применяемыми стальным и чугунным литьем. Однако одним из условий успешной замены стали и чугуна полимерными материалами является достаточный запас прочности колеса.
Сравнительный анализ напряженного состояния колес из чугуна СЧ-21-40 и пластика типа КС выполнен на примерах двух высокоскоростных (n=3000 бо/мин) насосов шахтного участкового водоотлива — моноблочного ЦНМ 60-100 и распространенного многосекционного насоса 4МС-10.
Рабочие колеса насосов из полимерных композиций

Рабочее колесо (рис. 11.5) является сложной для расчета конструкцией, состоящей из двух дисков переменного сечения — основного и покрывного — и расположенных между ними лопаток спирального очертания. Основной диск представляет собой круглую пластину, срединная поверхность которой перпендикулярна оси вращения; покрывающий диск — составную оболочку конического вида; лопатка — незамкнутую цилиндрическую оболочку переменной ширины.
Точное решение задачи по определению напряжений в деталях колес не представляется возможным даже при использовании современных вычислительных методов. Это обусловлено сложностью конфигурации деталей колес и сложным законом их нагружения. В связи с этим за основу принят метод проф. В.Ф. Риса с допущениями о замене очертания поперечных сечений аппроксимирующими ломаными линиями, замене ребер ужесточающими каждый диск жесткостями, с пренебрежениями давлениями жидкости и разностями жесткостей обоих дисков.
He учитывая на основании этих допущений касательных усилий, напряженное состояние дисков определяем полностью системой радиального σr и окружного σt напряжений.
Эскиз сечения колеса насоса 4МС-10, изготовленного из изотропного пластика плотностью γ = 1800 кг/м3, с учетом допущений показан на рис. 11.6 (действительный контур обозначен пунктиром).
Уравнения в линейной форме для вычисления напряжений σr и σt в дисках простых форм на некотором радиусе ri диска имеют вид
Рабочие колеса насосов из полимерных композиций

где αi и βi — коэффициенты, зависящие от отношения радиусов и толщин диска; Ti — коэффициент, функционально зависящий от скорости вращения и диаметра диска; αci и βci — коэффициенты, учитывающие центробежную нагрузку от собственной массы диска и боковую нагрузку от лопаток.
He приводя подробности вычисления коэффициентов αi, βi, Ti, входящих в формулы (11.2), (11.3), a также других промежуточных решений, требуемых методикой В. Ф. Риса, покажем конечные результаты в виде эпюр тангенциальных σti и радиальных σri напряжений, возникающих в основных дисках чугунного (σr, σt) и полимерного (σr', σt') рабочих колес (рис. 11.6). Соответствующие расчеты показали, что в покрывных дисках напряжения ниже, чем в основных.
Рабочие колеса насосов из полимерных композиций

Сопоставление напряженного состояния чугунного и полимерного колес показывает, что напряжения как радиальные σr, так и окружные σt в дисках из полимерных материалов в 5—7 раз ниже, чем в чугунных. В частности, в чугунном колесе наибольшие тангенциальные напряжения достигают величины σtmax = 6,85 МПа, радиальные σrmах = 5,42 МПа. Соответствующие напряжения в полимерных колесах составляют σ'tmax = 1 МП a, σ'rmax = 0,61 МПа. Учитывая пределы прочности σв рекомендованных для изготовления колес полимеров (поликарбонат — σвi = 70/80 МПа, полипропилен — 35—60 МПа, капрон — 60—80 МПа), отмечаем, что даже в зоне максимальных напряжений гарантируется достаточно высокий запас прочности, как минимум 30-кратный, т. е. такого порядка, как и для чугунных колес. При таком запасе прочности можно положить, что прочность колеса при расчетной скорости вращения (n = 3000 об/мин) гарантирована и не является фактором, сдерживающим возможность широкого использования полимерных материалов для изготовления рабочих колес шахтных центробежных насосов.
Динамическое состояние вала насоса с полимерными колесами

Замена стальных или чугунных колес более легкими пластмассовыми позволяет уменьшить площадь сечения и, следовательно, облегчить несущий вал ротора, что является одним из путей повышения производительности насоса и снижения материалоемкости. В связи с этим рассмотрим новые размеры вала, основанные на расчете его напряженного и динамического состояния, на примере ротора многосекционного центробежного насоса 4МС-10 (рис. 11.7).
Рабочие колеса насосов из полимерных композиций

Примем следующую индексацию конструктивных вариантов;
а — ротор в исходном исполнении (с чугунными рабочими колесами и размерами, проставленными без скобок);
б — облегченный ротор (с пластмассовыми колесами и размерами, проставленными в скобках);
в — ротор с исходными размерами вала и пластмассовыми колесами.
Ниже приведены данные, характеризующие напряженное состояние вала от действующих нагрузок — наибольшие нормальные (от изгиба σи и растяжения σр) и касательные (т) напряжения, возникающие в опасном сечении вала; соответствующие эквивалентные напряжения σэкв; вычисленные расчетом на усталость эквивалентные амплитуды напряжений σаэ, τаэ (МПа) и запасы прочности n:
Рабочие колеса насосов из полимерных композиций

Как видно, значения n, одинаковые в первых двух вариантах, при посадке пластмассовых колес на вал обычных размеров возрастают почти в 2 раза.
Практика показала, что выполнение расчета собственных колебаний ротора без учета его связи с ротором электродвигателя не вносит больших погрешностей и для инженерной оценки динамического состояния вполне приемлемо, тем более что валы ротора и электродвигателя соединены эластичной (не жесткой) муфтой. Частота собственных колебаний вала как двухопорной системы определяется методом Релея:
Рабочие колеса насосов из полимерных композиций

где E — модуль упругости; Iэ — момент инерции эквивалентного вала по способу; qэ — интенсивность распределения собственной массы; q„=γSэ/g (у — удельный вес материала вала; Sэ — площадь сечения эквивалентного вала); l — расстояние между опорами ротора; μ1=μ2=...-μ10 — отношение массы диска к массе эквивалентного вала; хi — координата точки приложения массы относительно опоры, в данном случае — левой (рис. 11.7). Для рассматриваемых вариантов получены следующие значения круговой частоты собственных колебаний вала: ωса = 139,5 с-1; ωсб = 184,3 с-1; ωсв = 210,6 с-1.
Так как частота вынужденных колебаний вала ωв = 309 с-1, то очевидно, что во всех случаях вал является гибким и в процессе разгона проходит через критическую скорость. Установлено, что гибкие валы вообще не во всех случаях обеспечивают требуемую работоспособность насосов; это относится и к насосу 4МС-10. Объясняется это тем, что при расчете невозможно учесть совместное влияние на колебания ротора многих факторов: гидродинамического воздействия перекачиваемой массы жидкости, перепадов давления между секциями и в пределах каждой из секций, а также жесткости опор, соединительной муфты и собственных колебаний ротора электродвигателя. В этом смысле жесткие валы более устойчивы в работе.
Использование пластмассовых колес позволяет повысить жесткость вала до величины, соответствующей необходимой отстройке, сравнительно небольшим увеличением площади поперечного сечения. Так, например, в нашем случае при использовании пластмассовых колес и увеличении диаметра вала с 4 до 6 см вал становится жестким, а отстройка его собственной частоты от вынужденной составляет 31%. Это позволяет ожидать значительного повышения эксплуатационных характеристик насосов. Моноблочные насосы ЦНМ 60-100 с пластмассовыми рабочими колесами долгое время работали в условиях перекачивания загрязненных шахтных вод на участковых водоотливах шахт им. М.И. Калинина и «Трудовская» ПО «Донецк-уголь». По характеристикам насоса, графически отражающим зависимость подачи Q от напора Н, и потребляемой мощности N насосы с пластмассовыми колесами оказались экономичнее и эффективнее, чем с чугунными.