Конструкция свободнопоршневого пневматического вакуумного насоса

Последние 50 лет человечество активно использует вакуумную технику в различных отраслях промышленности. На сегодняшний день придумано множество видов вакуумных насосов: механические, струйные, абсорбционные, молекулярные, криогенные и др. Однако области применения вакуума сильно расширяются, они все более проникают из областей промышленности в области, близкие к повседневному быту человека (приготовление пищи, сельское хозяйство, частные дома и т.п.). Новые области задают новые требования к вакуумной технике, такие, как экономичность, экологичность, простота конструкции и обслуживания. Зачастую, когда нет необходимости иметь высокую глубину вакуума, используют объемные поршневые насосы или эжекторы, конструкция и принцип работы которых практически не менялся последние три века.

Свободнопоршневые системы. Классически объемные поршневые насосы имеют возвратно-поступательное движение поршня, которое передается через кривошипно-шатунный механизм, как правило, от электродвигателя. Эта конструкция, обладая качествами простоты, дешевизны и удобством обслуживания зачастую применяется в двигателях, компрессорах, насосах и др. В последние 20-30 лет многие инженеры серьёзно задумались над изменением этой модели. Дело в том, что недостатком этой конструкции является пагубное влияние кривошипно-шатунного механизма на систему. Он вызывает неравномерную нагрузку на валу, имеет довольно высокую силу трения и, главное, создаёт радиальную силу на поршень, которая, в свою

Донской Анатолий Сергеевич, доктор технических наук, профессор кафедры «Турбины, гидромашины и авиационные двигатели»

очередь увеличивает силу трения поршня о цилиндр, что приводит к повышенному нагреву. Идея «освобождения» поршня наиболее продумана и реализована, пожалуй, в области двигате-лестроения, которое привело к созданию нового подраздела науки – свободнопоршневые двигатели.

Свободнопоршневой механизм – механизм с одной кинематической парой, образуемой поршнем и корпусом, и возвратным относительным перемещением его звеньев. Из определения видно, что основой его работы, так и основной проблемой является возвратно-поступательное движение. Оно часто не позволяет напрямую подсоединять такие механизмы к классическим механическим и электрическим машинам, основным движением в которых признано вращательное. Учитывая это, ниже пойдет описание разработанных авторами конструкций, не типичных для вакуумных насосов.

Конструкция и принцип работы вакуумного насоса. На первом этапе проектирования вакуумного насоса была рассмотрена возможность получения вакуума с помощью простейшей конструкции, изображенной на рис. 1.

Рис. 1. Схема однопоршневого 2-х камерного вакуумного насоса:

1 – поршень, 2 – гильза, 3 – крышки, 4 – стяжки крышек, 5 – отверстия для подвода/отвода газа, 6 – отверстия для управления

Была предложена следующая идея получения вакуума. Рабочее положение пневмоцилиндра – вертикальное. Вверх поршень движется за счет давления воздуха, подаваемого в нижнюю полость. Движение вниз происходит за счет веса самого поршня. При движении вниз верхняя полость соединяется с вакуумной камерой, из которой поршень при каждом движении вниз должен выкачивать воздух. Таким образом, в данной конструкции объединены функции пневмопривода, который поднимает вверх груз (поршень), и вакуумного насоса, который работает за счет движения поршня вниз под действием собственной силы тяжести.

Для обеспечения безударных остановок в конце хода применен режим автоторможения, как это делается во многих современных пневмоцилиндрах (рис. 2). Одна из задач заключалась в обеспечении автоматического реверса без использования датчиков положения. В результате была предложена пневмосхема вакуумного насоса, показанная на рис. 3.

Рис. 2. Схема торможения поршня

Рис. 3. Пневматическая схема вакуум-генератора с двумя полостями

Работа пневмосхемы происходит следующим образом. В начальный момент времени поршень находится в нижнем положении. При включении распределителя воздух поступает в нижнюю полость. В результате поршень начинает двигаться вверх. Из верхней полости воздух выходит через обратный клапан и глушитель с большими проходными сечениями в атмосферу. При вхождении втулки поршня в полость крышки начинается торможение поршня за счет создания противодавления в полости 2 (рис. 2). Воздух под давлением поступает из полости 2 на управляющий вход распределителя. При определенной величине давления в полости 2 распределитель переключается. При этом нижняя полость соединяется с атмосферой, а верхняя – с вакуумной камерой. В результате поршень за счет силы тяжести начинает опускаться вниз, создавая разряжение в верхней полости. Разряженная верхняя полость соединена с вакуум-накопителем через обратный клапан. При подходе к нижней крышке происходит автоторможение. За счет созданного повышенного давления в тормозной полости распределитель переключается, и цикл повторяется.

Через определенное число циклов возможна ситуация, при которой величина вакуума настолько глубокой, что веса поршня недостаточно, чтобы при движении вниз он дошел до нижней крышки. В этом случае не произойдет обратного движения вверх, потому что не будет сформирован сигнал (давление в нижней тормозной полости 2 ) на переключение распределителя. Для предотвращения подобных ситуаций в схему введен дроссель с обратным клапаном, который через определенный промежуток времени, задаваемый дросселем, создаст необходимый для переключения распределителя перепад давлений за счет создания вакуума в управляющей полости распределителя. Данная схема имеет свои достоинства и недостатки.

Рис. 4. Однопоршневой 4-камерный вакуумный насос

Многие из недостатков устранены в 4-х камерном вакуумном насосе (рис. 4). Этот тип также относится к свободнопоршеневым, имеет 2 гильзы, где поршень верхней гильзы 1 и нижней 2 соединены в один с помощью штока. Штоковая крышка между двумя гильзами общая. Вакуум генератор может работать в нескольких этапах:

• -    начальный этап – создание низкого вакуума (относительно максимально возможной глубины вакуума этого устройства) (рис. 5). В начальный момент поршень находится в нижнем положении. При подаче давления в нижнюю полость гильзы большего диаметра поршень начинает перемещаться вверх. При этом все остальные

полости (большой и малой гильзы) соединены с атмосферой. При подходе поршня к верхней крышке нижней гильзы начинается его торможение так же, как в ранее рассмотренной конструкции. При торможении появится необходимый перепад давлений на распределителе, и он переключится, в результате чего верхние полости гильз свяжутся с вакуум-накопителем, а нижние – с атмосферой. Поршень под действием воздушной подушки верхней полости и силы тяжести устремится вниз, разряжая и высасывая газ из вакуум-накопителя. При подходе к нижней точке поршень затормозится и реверсируется. Далее цикл начнется заново.

Рис. 5. Начальный этап работы устройства

• -    этап создания «среднего вакуума» (рис.6). Этот этап отличается от предыдущего тем, что при движении поршня вниз (вакуумирование) вакуум-накопитель соединен только с верхней

полостью малой гильзы, а остальные соединены с атмосферой. Таким образом, уменьшается площадь поршня, позволяя увеличивать глубину вакуума.

Рис. 6. Этап создания «среднего вакуума»

• -    этап создания «высокого вакуума» (рис. 7). Этап также схож с первыми двумя с тем исключением, что на этапе вакуумирования верхняя полость малой гильзы соединена с вакуум-накопителем, верхняя полость большой гильзы с

источником сжатого воздуха, а нижние - с атмосферой. Т.е. сжатый воздух совершает работу на этапе вакуумирования, чего не было в предыдущих случаях, тем самым увеличивая глубину вакуума.

Рис. 7. Этап создания «высокого вакуума»

С учетом вышеописанной работы устройства разработана следующая принципиальная схема (рис. 8). Осуществление возвратнопоступательного движения происходит за счет работы основного распределителя, который управляется перепадом давления при нижнем и верхнем торможениях. Переключение между всеми этапами происходит распределителями 1 и 2 , которые переключаются автоматически за счет давления вакуума, соответствующего пороговому давлению настройки распределителя с помощью пружины.

Рис. 8. Пневматическая схема вакуум-генератора с 4-я полостями

Достоинства и недостатки конструкций. Основными достоинствами рассмотренных свободнопоршневых пневматических вакуумных насосов являются:

• -    простота конструкций;

• -    использование одного вида энергии для работы насоса и его управления;

• -    использование положительных свойств резонанса для увеличения глубины вакуума;

• -    возможность применения их в условиях высоких температур, радиации, взрывоопасности и т.п.

Основным недостатком таких конструкций вакуумных насосов являются габариты (конструкции представляют собой длинные трубки).