Метод расчета оптимальных параметров проточной части ротационно-пластинчатого вакуумного насоса по нескольким критериям оптимальности

При проектировании современных ротационно-пластинчатых вакуумных насосов (РПВН) одним из важных требований является оптимизация основных параметров и характеристик проточной части. Одной из проблем, возникающих при этом, является выбор соответствующих критериев оптимальности и управляющих параметров. Это обстоятельство становится тем более существенным, когда оптимизация реализуется по нескольким критериям оптимальности. Принимая во внимание общие требования, предъявляемые к ним, необходимо учитывать конкретные условия и особенности проектируемых ротационно-пластинчатых вакуумных насосов.

Для получения низкого и среднего вакуума используются вакуумные насосы различных конструкций, среди которых наибольшее распространение получили ротационно-пластинчатые вакуумные насосы (РПВН) с эксцентричным расположением ротора. Это объясняется относительно высокой быстротой действия при относительно малой энергозатратности, простотой конструкции, относительно низкой стоимостью насоса и небольшими габаритными размерами.

Так, при разработке РПВН, производитель всегда стремится к уменьшению габаритных размеров и энергозатратности насоса, который обеспечивает необходимые характеристики. В таких случаях при оптимизации конструктивных параметров вакуумного насоса в качестве критериев оптимальности будут выбираться минимальные объем проточной части и мощность на валу насоса. Большинство попыток уменьшения объема проточной части РПВН приводило к уменьшению быстроты откачки, увеличению частоты вращения ротора и т.д., а уменьшение мощности, затрачиваемой на валу насоса – к увеличению геометрических характеристик насоса. Поэтому чрезвычайно актуальной является задача разработки метода расчета оптимизации основных параметров ротационно-пластинчатого вакуумного насоса по нескольким критериям оптимальности, к которым будут предъявляться следующие требования:

• 1.    Выбранные критерии оптимальности должны гарантировать при создании насоса выполнение основных требований технического задания при минимальных затратах на проектирование, производство, эксплуатацию.

• 2.    Критерии оптимальности должны определять основные характеристики насоса и выражать его главные свойства.

• 3.    Выбранные критерии оптимальности должны существенно влиять на качество РПВН и, кроме того, быть заметно зависимыми от управляемых параметров.

• 4.    Необходимо стремиться к тому, чтобы критерии оптимальности обладали четко выраженным и устойчивым экстремумом.

0.05 <  Я <  0.15, 3 <  K <  5, 2 <  z <  12

Созданный метод расчета позволяет провести расчет основных параметров РПВН с использованием таких управляемых параметров, как: относительный эксцентриситет Я , K l — относительная длина ротора, z — количество пластин. Исходя из особенностей конструктивной схемы насоса, на управляющие параметры накладывались следующие ограничения:

Разработанный метод расчета дает возможность обеспечить оптимизацию по двум критериям: минимальный условный объем проточной части и минимальная мощность. Оптимизация обеспечивается при использовании аддитивного критерия оптимальности, применяемого для выработки компромиссного решения, поиск минимальной целевой функции которого и является результатом исследований:

A=aN +aV

1 опт     2 опт ,                                    ( )

где N_опт и V_опт – соответственно минимальная мощность, затрачиваемая при работе РПВН и минимальный реальный объем проточной части, a ₁ и a ₂ -весовые коэффициенты, имеющие размерность, соответствующую обратным величинам мощности и объему, 1/кВт и 1/м³ соответственно [5].

Аддитивный критерий оптимальности является наиболее пригодным для оптимизации РПВН, так как, отличаясь сравнительно простой формой функции качества, требует небольших затрат времени для расчета при получении достаточно точных решений.

Выходные параметры зависимости (1) являются безразмерными. Нормирование выходных параметров осуществляется при помощи весовых коэффициентов a i , связанных условием ^Г^ = 1 для их числовых значений. i = 1

Сами же числа назначаются исходя из требований к разрабатываемому насосу.

Использование данного метода расчета позволяет прийти к уменьшению проточной части и мощности, затрачиваемой на валу насоса, причем, чем больше быстрота действия проектируемого насоса, тем больше выигрыш в уменьшении основных габаритных размеров и затрачиваемой мощности [5].

На основании разработанного метода расчета были выведены зависимости величины мощности, затрачиваемой на валу насоса и объема проточной части от значения одного из управляющих критериев оптимальности для вакуумного насоса с быстрой откачки 20 м³/ч: от количества пластин z (Рис. 1,а), от относительной длины ротора K_l (Рис. 1,б), от значения относительного эксцентриситета X (Рис. 1,в).

апгп

• 3 ШИН

= I

• ■ t UUUL

  

  а)

  
  

аатв

б)

в)

Рис. 1. Зависимость величин мощности, затрачиваемой на валу насоса и объема проточной части от значения одного из управляющих критериев оптимальности

На основании разработанного метода расчета были выведены зависимости величины аддитивного критерия оптимальности от значения одного из управляющих критериев оптимальности для вакуумного насоса с быстрой откачки 20 м3/ч: от количества пластин z (Рис. 2,а), от относительной длины ротора Kl (Рис. 2,б), от значения относительного эксцентриситета λ (Рис. 2,в).

а)

б)

в)

Рис. 2. Зависимость величины аддитивного критерия оптимальности от управляющих параметров

Таким образом, можно сделать вывод, что для получения минимального значения выбранного аддитивного критерия оптимальности относительный эксцентриситет следует выбирать равным 0.15, количество пластин – 2, относительную длину ротора – 5.

Так же на основании расчетов была выведена зависимость мощности, затрачиваемой на приводе насоса производительностью 20 м3/ч от плотности материала пластин, скользящих по цилиндрической расточке (Рис. 3).

Рис. 3. Мощности, затрачиваемой на приводе насоса от материала пластин

На основании приведенного графика можно утверждать, что наименьшая мощность, затрачиваемая на приводе насоса, при использовании пластин, выполненных из асботекстолита. Однако, следует заметить, что при таком преимуществе, как относительно высокие антифрикционные свойства при относительно низкой цене, главным недостатком асботекстолита является очень низкая рабочая температура (до 100о С) и малый ресурс работы.

Поэтому, целесообразнее использовать в качестве материала пластин углеволкнит «ЭПАН», плотность которого равна 1750 м3/кг. Углеволокнит «ЭПАН» представляет собой композицию на основе углеродного наполнителя и синтетического связующего с минеральными добавками. Обладает хорошей химической стойкостью в кислых агрессивных средах, а также антифрикционными свойствами.

Разработчиком данного материала является ОАО «НИИ Графит», который разработал и внедрил в серийное производство материал углеволокнит «ЭПАН» (ГОСТ 27939-88).

Лопатки из данного материала (ТУ 1916-141-00200851-2003) успешно применяются в вакуумных насосах « Rietschle», «Becker» и др. По сравнению с лопатками из отечественных графитов и импортного графита марки EK-60 лопатки из углеволокнита «ЭПАН» обладают повышенной прочностью при ударных нагрузках, высокой износостойкостью, что предотвращает их преждевременный выход из строя.

По результатам проведения испытаний пластин вакуумного насоса из углеволокнита «ЭПАН», делается вывод, что после 6 месяцев эксплуатации отсутствует износ пластин, и сохраняются параметры, указанные производителем .

Заключение:

Разработанный метод расчета оптимальных параметров РПВН позволяет решить проблему оптимизации ротационно-пластинчатых вакуумных насосов по таким критериям оптимальности как минимальный реальный объем проточной части и минимальная мощность РПВН, затрачиваемая на валу.

На основании расчетов, проведенных с помощью разработанного метода расчета, получены следующие рекомендации по выбору основных параметров проектируемого ротационно-пластинчатого вакуумного насоса. Для получения минимального значения выбранного аддитивного критерия оптимальности относительный эксцентриситет следует выбирать равным 0.15, количество пластин – 2, относительную длину ротора – 5.

Также был выполнен анализ используемых материалов пластин, с целью выявления наиболее подходящего.