О НАДЕЖНОСТИ НАСОСОВ ДЛЯ ПИЩЕВЫХ ПРОДУКТОВ

Кандидат технических наук Я.Л. Любин 

     Основная цель исследований по надежности насосов – найти пути получения наибольшей достоверности результатов и на их основе вырабатывать рекомендации, необходимые при проектировании и подборе насосов. 

     Накопленный опыт показывает, что изучение механизма образования закономерностей отказов насосов, перекачивающих, в частности, неньютоновские жидкости с твердыми включениями дает возможность приблизиться к приемлемой вероятности оценки продолжительности сохранения их работоспособности в заданных параметрических показателях. 

      При оценке надежности рассматриваются два наиболее возможных вида механизма износа, происходящего в местах контакта поверхностей рабочих органов с перекачиваемой средой и сопряженных деталей. Первый : при ударе твердой частицы перекачиваемого продукта о твердые поверхности проточной части происходит микроразрушение как поверхности детали, так и самой частицы. Появляются таким образом более мелкие частицы, которые мгновенно включаются в движение, заполняют более мелкие поры деталей и увеличивают эффект разрушения. При этом твердые частицы вступают в сухой ударный контакт с поверхностями проточной части. Нарушается поверхностная пленка. Создается зона, незащищенная от химического воздействия. Это вносит свой вклад в нарушение целостности поверхности. Идет более интенсивный механохимический процесс снижения прочности материала. 

      Второй вид износа, который может происходить одновременно с первым, состоит в том, что в отдельных точках, особенно в местах разрыва жидкостной пленки, поверхностные слои интенсивно нагреваются и размягчают менее твердый материал в пограничных слоях. Нередко это ведет к адгезии твердых включений из перекачиваемого продукта. Затем размягченная частица вместе с твердым включением срывается потоком и уносится. Это по результатам наблюдений отмечает ряд авторов [3], [4], [5]. Здесь описанная картина проявляется особенно полно. 

      В качестве примера может быть рассмотрена пара трения обойма – винт одновинтового насоса. Скорость износа рабочих сопряженных поверхностей можно оценить количественно следующим образом. Если допустить, что элементарный участок обоймы, наклоненный к оси вращения ротора конус, то скорость износа можно описать уравнением [1] 

Vизн.= f·k·e·(р·v)n 

f – комплексный коэффициент трения, учитывающий смазывающую способность перекачиваемой среды и содержание в ней твердых включений, f = 0,05 ÷ 1,0; 

k – постоянная, характеризующая распределение неровностей по высоте, что связано с топографией поверхности трения; 

e – величина, характеризующая механические и химические свойства материала детали и изменение их параметров под воздействием температуры; 

p – давление на контактную поверхность; 

v – относительная скорость скольжения пар трения; 

n – показатель, который зависит от фазы износа. Если не происходит износа в ходе приработки, n =1. При нормальном износе n = 1,2 ÷ 1,8 и n = 1,8 ÷ 2,4 - катастрофический износ. 

       На скорость износа в большей степени влияет режим работы насоса. 

       Можно различить три режима : расчетный, щадящий и форсированный. На рис.1 показано, как изменяется скорость износа υизн при работе насоса на различных режимах 

Рис.1

Тпр – период приработки,
Тр – длительность расчетного работопригодного периода,
Тщ – длительность работопригодного периода на щадящем режиме работы,
Тф – длительность работопригодного периода на форсированном режиме.
         График построен по результатам обработки материалов испытаний дискового насоса на смеси воды с песком в разных соотношениях : от 1 до 15% песка по объему, опубликованных в [2] и обработанных по методике профессора А.С. Проникова. Отмечается, что форсированный режим может вызвать явления, нехарактерные для расчетного режима и качественно изменить картину отказов.
         Простая инженерная логика, подтверждаемая практикой, подсказывает назначать параметры, подбирать материалы деталей и определять их места в конструкции с таким учетом, чтобы насос работал в режиме, смещенном к щадящему. Например, смещение к щадящему режиму обеспечивает конструкция узла уплотнения вала с промывкой или гидрозатвором, так как позволяет исключить работу уплотнительных колец в режиме сухого трения. Отдаление узла уплотнения от горячей жидкости, применение охлаждающего барьера снижает нагрузку от теплового поля.
         Многочисленные публикации позволяют выявить факторы, которые наиболее сильно влияют на скорость износа поверхностей проточной части. Это частота вращения рабочего колеса, его форма, износостойкость материала, из которого изготовлено, свойства перекачиваемой среды, объемное содержание твердых включений, их крупность, форма отвода, давление, режим работы.
         Пищевые насосы можно подразделить на контактные и бесконтактные. Первые – это роторные насосы, в которых момент на ведомый рабочий орган передается непосредственно ведущим. К ним относятся шестеренные, одно – и трехвинтовые. Бесконтактные – лопастные, дисковые, двухвинтовые, роторные, в которых встроены синхронизирующие шестерни.
         Опыт эксплуатации и анализ отказов с приемлемым приближением позволяет ранжировать элементы насосов по убывающей частоте отказов следующим образом :
- эластичный ротор импеллерного типа,
- обойма одновинтового насоса,
- сальниковая набивка,
- шарнирные соединения в одновинтовом насосе,
- подшипник скольжения, 
- сильфон торцового уплотнения,
- уплотнительные кольца торцового уплотнения.
           В пищевых производствах применяют жидкости в широком диапазоне по вязкости : от ньютоновских до псевдопластичных и дилатантных [3]. Чем более вязкий продукт, тем выше напор в том же тракте и больше потребляемая мощность (рис.2).

Рис.2

           Насосы рассчитывают по воде. И двигатели по мощности зачастую подбираются без учета влияния вязкости. Это оправдано тем, что расчеты на конкретную среду резко сужают базу сравнения и область применения, а в итоге создается большая неопределенность при подборе насоса. Но при назначении на конкретные условия необходимо учитывать и рассчитывать насосы с учетом и вязкости, и плотности перекачиваемой среды. Ибо это уже область надежности, опасность уйти в форсированный режим работы может повлиять на техническое состояние насоса.
          О техническом состоянии можно судить по граничным значениям выходных параметров, которые определяют его пригодность и работоспособность. Например, падение напора, повышение температуры или увеличение потребляемого тока или мощности. Но в то же время изменение вязкости может происходить в ходе рабочего процесса и определено технологическим регламентом производства. Все это должно быть учтено при подборе насоса и оценке его состояния.
          Но есть явные и однозначные ранние признаки отказа. Это ускорение износа уплотнений и появление утечки. Перегрев подшипников, появление продуктов разрушения материала проточной части в перекачиваемой среде, изменение виброакустических характеристик.
          Раннее распознание признаков отказа имеет большое значение для экономики производства. Это позволяет избежать замены всего насоса и уменьшить объем ремонта. Потери, связанные с заменой насоса, складываются из стоимости заменяющего насоса, остаточной стоимости заменяемого насоса, стоимости ремонтно–восстановительных работ, потери объема невыпущенной продукции, которая осталась во всех участках тракта, и не может быть использована.
          Насосы относятся к машинам, для которых характерен широкий диапазон режима работы и условий эксплуатации. Поэтому определение надежности не может быть ограничено проверкой на испытательно-диагностическом стенде. Это только первый, исходный источник информации. Второй источник – прогнозные расчеты возможного изменения выходных параметров насоса при эксплуатации. Можно использовать методы физико-статистического моделирования процессов изнашивания, применяемые, например, в станкостроении. Для этого наряду со статистическими данными по результатам испытаний и эксплуатации необходимы сведения о закономерностях процессов старения материалов, об условиях применения насосов и уровне их обслуживания и контроля состояния.
          На третьем источнике должно быть сосредоточено внимание и разработчиков и пользователей. Это отклик системы, где установлен насос, и влияние условий его эксплуатации. И системы и условия эксплуатации очень разнообразны. И чем шире спектр данных, тем более четко можно установить допустимую и рациональную область применения насосов конкретных типов и размеров. Кроме того, пополняемый таким образом банк данных о работопригодности и надежности насосов позволяет анализировать конструкции, что служит исходным материалом для совершенствования и создания насосов более высокого уровня. Необходимы исследования, направленные на систематизацию ранних признаков наступления отказов.
          Целенаправленное изыскание резервов повышения надежности насосов имеет первостепенную важность. Это прямой и наиболее экономичный путь к снижению эксплуатационных расходов.

Литература
1. А.С. Проников. Параметрическая надежность машин. Москва, МГТУ им. Баумана, 2002 г.
2. В.А. Бендерович, Ю.Б. Илюхин, Я.Л. Любин. Совершенствование насосов, перекачивающих неньютоновские жидкости. «Гидромашиностроение. Настоящее и будущее». Москва, 2004 г.
3. Vetter G., Klotzbücher G. Einige tribologisch Grundlagenuntersuchungen zum Gleit und Stralerverschleiβе von Pumpenwerkstoffen. Kongreβ. Karlsruhe, 1992 г.
4. Bauer C.O. Anforderungen Produktehaftung und Qualitätssicherung an Ablauf und Inhalte von Entwicklung und Konstruktionen. Kongreβ. Karlsruhe, 1992 г.
5. U. Friedrichsen. Druchfltuationen zur Fehlerdiagnose und Automation von Schöpfwerken mit axialen Kreiselpumpen. Kongreβ. Karlsruhe, 1992 г.
6. K. Nuglisch. Erprobung eines Strömungsfrühterkentnis sistems für Kreiselpumpen mittels Feldversuch in einer verfahrenstechnischen Anlage. Pumps International Forum 2004.

---