РОЗРОБКА МАТЕМАТИЧНОГО І АЛГОРИТМІЧНОГОЗАБЕЗПЕЧЕННЯ СИСТЕМИ ВІБРАЦІЙНОГО ДІАНОСТУВАННЯ НАСОСНОГО АГРЕГАТУ

1. СУЧАСНИЙ СТАН ВИКОРИСТАННЯ НАСОСНИХ АГРЕГАТІВ ТА ПРОБЛЕМА ЇХ ДІАГНОСТУВАННЯ

1. Загальні відомості про насоси.

      Насоси відносять до так званих проточним машин, оскільки їх функціонування безпосередньо пов'язано з постійним припливом будь-якої рідини чи газу. Завдяки їх роботі можливе перетворення і отримання енергії. Насос служить для перекачування рідин з більш низького рівня на більш високий, а також перерозподілу її між обсягами з різними показниками тиску [1].

 Устаткування насосне застосовується в різних галузях промисловості, теплоенергетиці, сільському господарстві, будівництві, в системах опалення і водопостачання міського комунального господарства, на транспорті. Широко використовується в побутових цілях.

 Насосне обладнання в даний  час класифікується за двома  принципами: функціональним та конструктивної.

 Функціональний принцип був створений для зручності і закріплений загальносоюзним класифікатором промислової та сільськогосподарської продукції (ОКП). Відповідно до нього всі загальнопромислове та насосне обладнання підрозділяється на: насоси відцентрові, насоси поршневі, насоси вакуумні та високовакуумні.

 За принципом дії насоси  підрозділяються на дві основні  групи: насоси динамічні та об'ємні. Поділ здійснюється в залежності від характеру впливу робочих органів насоса на рідину.

 Динамічні підрозділяються на: відцентрові насоси, діагональні, осьові, тертя і комбіновані.

 Відцентрові насоси - насоси, в яких рідка середу переміщується від центру до периферії, під силовим впливом на неї робочого колеса в камері. Даний процес відбувається під дією відцентрових сил, що створюються робочим органом насоса. Звідси і назва "відцентровий". У насосів даної групи більш низький ККД (коефіцієнт корисної дії) у порівнянні з насосами об'ємного типу. Перевага відцентрових насосів - їх порівняно низька ціна в порівнянні з насосами інших груп.

 До об'ємним насосів відносять: насоси поршневі, плунжерні, роторні, інерційні.

 Відповідно зі сформованим  у системі матеріально-технічного  постачання порядком, насоси підрозділяються  на: насоси консольні, насоси двостороннього входу , секційні насоси , артезіанські насоси , хімічні насоси , нафтові насоси , бензинові насоси , піскові насоси , грунтові насоси , відцентрові шламові насоси , шестеренні насоси , живильні насоси , мережеві насоси , конденсатні насоси , насоси для паперової маси [1,2].

 Виходячи з функціонального  призначення насоса, визначальними  технічними параметрами є подача і напір (тиск).

 Подача - це об'єм рідини, що подається насосом у одиницю часу, виражається в м ³ / год (позначається "Q").

 Тиск - це висота, на яку насос здатний доставити рідиною, що перекачується, виражається в метрах водяного стовпа (позначається "Н").

    Використовуються також  така характеристика, як потужність насоса (N) - потужність, що передається від приводу (електродвигуна) на вал насоса (компресора), вимірюється в кВт.

   Наазва "горизонтальні насоси" є умовною (по горизонтальному гнізду корпусу).

       За конструкцією горизонтальні насоси випускаються двох видів: одноступінчаті з колесом двостороннього входу й багатоступінчасті.

• Одноступінчасті насоси - рідина подається одним комплектом робочих протилежних органів.
• Багатоступінчасті насоси - рідина подається двома і більш послідовно сполученими комплектами робочих органів.
• Вертикальні насоси - вісь обертання робочих органів розташована вертикально.
• Консольні насоси - робочі органи розташовані на консольної частині валу.
• Моноблочні насоси - робочі органи розташовані на валу двигуна.
• Насоси з осьовим входом - рідина підводиться в напрямку осі робочих органів.
• Насоси з боковим входом - рідина підводиться в напрямку перпендикулярному осі робочих органів.
• Насоси двостороннього входу - рідина підводиться до робочих органів з двох протилежних сторін.
• Заглибний насос - працюють при частковому або повному зануренні корпусу насоса у воду.
• Напівзанурений - насосний агрегат з занурювальним насосом, двигун якого розташований над поверхнею рідини.
• Герметичний - повністю виключено контакт подається рідини з навколишнього атмосферою.
• Самовсмоктуючими називаються насоси, які можуть відкачувати повітря з всмоктувального трубопроводу. Это значит, что им не требуется полная заливка системы и обратный клапан на всасывающем трубопроводе. Це означає, що їм не потрібна повна заливка системи і зворотний клапан на всмоктуючому трубопроводі.

         Виходячи з викладеного, а також те, що темою дипломного проекту є розробка інформаційно - вимірювальної системи контролю стенду для дослідження роботи відцентрового насосу К-65-50-160, який також відноситься до консольних одноступеневих насосів, далі по тексту будемо використовувати поняття- насосна установка. Нижче розглянемо сучасний стан розвитку насосних установок.

1.2 Сучасний стан розвитку відцентрових насосних агрегатів

        Сучасні умови експлуатації   систем водопостачання пред'являють підвищені вимоги до їх елементів, зокрема до циркуляційних насосів. Перші в основному використовуються в системах опалення великих і середніх об'єктів, другі - в невеликих системах. Причому, якщо в асортименті зарубіжних виробників присутні широкі модельні лінійки обох класів, то вітчизняні підприємства в більшості своїй вперто продовжують виробляти техніку «сухого» типу. Як правило, ці моделі випускають за старими типовими проектами, з тими чи іншими удосконаленнями [3].

        Це, перш за все, насоси серій К, КМ і КМЛ. Їх виготовляють десятки вітчизняних підприємств. Найбільш відома на вітчизняному ринку продукція таких підприємств, як Херсонський електромеханічний завод, «Апостоловагромаш», «Промелектро» (м. Харків), ВАТ «Гідросила» (м. Кіровоград), Сумській насосний завод, АТЗТ «Харьковмаш», Севастопольський завод комунального устаткування «Молот», Бердянський Південний завод гідравлічних машин, ВО «Кристал» (м. Харків), «Насосмаш» (м. Бердянськ), ВАТ «Будмаш» (м. Київ) та інші. На думку фахівців, слабкими сторонами даного обладнання є двигуни, а також те, що вітчизняні компанії не використовують сучасні торцеві ущільнювачі, обмежуючись застосування сальникової набивки. Як відомо, традиційна сальникова набивка не забезпечує такої герметичності, як ковзаючі торцеві ущільнення і потребує підводу води для змащування і охолодження, а також  регулярного обслуговування. Тому зазвичай провідні виробники обладнують сальниками тільки великі консольні насоси, що встановлюються на фундаменті. Термін служби сальникової набивки становить приблизно 1-2 роки залежно від умов експлуатації насоса.

     Зарубіжні розробники широко застосовують ковзаючі торцеві ущільнення в насосах з сухим ротором. Основні елементи ковзаючого торцевого ущільнення - два кільця: ковзне і відповідь. Кільця притиснуті один до одного пружиною. Вони забезпечують високий ступінь герметичності насоса і не вимагають обслуговування протягом всього терміну служби (2-4 роки). Залежно від виду теплоносія і його температури матеріалом для ковзаючого торцевого ущільнення служать графіт, кераміка, нержавіюча сталь, карбід вольфраму, оксид алюмінію і т. д. Якщо говорити про побутове циркуляційне обладнання, тобто насоси «мокрого» типу, то у нас вони практично не виробляються. Відомо, що в дуже невеликій кількості (дві-три моделі «циркуляційників» марки ЦВЦ для гарячого водопостачання) випускають у Молдові, однак вони значно програють у співвідношенні ціна / якість своїм зарубіжним аналогам. Такі насоси представляють близько десятка зарубіжних виробників, найбільш популярними з яких є міжнародний концерн Grundfos, штаб-квартира якого знаходиться в Данії, а також транснаціональна корпорація Wilo (штаб-квартира в Німеччині). Спеціалізуючись у виробництві насосів, ці фірми мають найширші модельні ряди, а за якістю та ціною їх вироби займають позицію елітного класу.

           Втім, крім Grundfos і Wilo багато європейських виробники представляють свою продукцію для різних сегментів споживання. Міцні позиції у своєму ціновому сегменті на нашому ринку з недавніх пір утримують компанії DAB, Calpeda, Nocchi Pumps, Speroni (Італія), Salmson (Франція), Halm, Deutsche Vortex (Німеччина), Smedegaard (Данія), Wester (Англія) та ін . Причому DAB належить концерну Grundfos, а Salmson повністю належить Wilo. Незважаючи на те, що вартість насосів цих виробників дещо нижче, ніж у лідерів ринку, це техніка високого класу з застосуванням автоматизації і, відповідно, не найдешевша.

      Український споживач дуже «чутливий» до цін, тому багато фахівців скептично ставляться до переваг використання дорогого імпортного обладнання, не розуміючи, чим визначається різниця в цінах. Якщо насос з 3-ступеневим регулюванням Wilo Top-S 40/10 коштує у роздріб близько 500 у.о., то насос з електронним управлінням Wilo Тор-Е 40/1-10 продається приблизно за 800 у.о. Втім, просунуті моделі дозволяють економити 40-60% електроенергії в порівнянні зі стандартними насосами. Те, що лідери насосного ринку не встановлюють надвисоку ціни на свою продукцію, видно з наступного прикладу. 3-швидкісний насос Wilo Star-RS 25 / 2 в роздріб можна придбати в середньому за 65 у.о., а насос Grundfos UPS 25-40 - за 60-62 у.о. Перші цифри у маркуванні насосів показують номінальний діаметр патрубків у мм, а другі - максимальний напір насоса в м або дм (2 - 2 м, 40 - 4 м).

    В даному огляді проаналізовано обладнання з найпростіших моделей, просуваючись вперед і закінчуючи найбільш сучасним високоефективним, а значить і більш дорогим насосним обладнанням.

   Як вже було сказано, циркуляційні насоси різних виробників не відрізняються один від одного за принципом роботи, хоча залежно від виробника різняться рівнем організації виробництва, технологіями і матеріалами і як наслідок - якістю. У безсальниковим насосах з «мокрим» ротором камера ротора знаходиться безпосередньо в перекачується середовищі і герметично відокремлена від статора гільзою з нержавіючої сталі. Вал ротора зазвичай буває керамічним, а підшипники виконуються з кераміки або графіту. Бренд Calpeda, в групі «мокрий» ротор пропонує насоси з робочим колесом з нержавіючої сталі. Для опалення, як правило, використовуються насоси з корпусом з чавуну.

    При виборі насоса важливо знати, що насоси конструкції «мокрий» ротор мають чітке розділення: насоси для гарячого водопостачання (ГВП) і звичайні циркуляційні насоси для опалення. У системах ГВП, як правило, застосовуються насоси, корпус яких виготовлено з бронзи, нержавіючої сталі або латуні (UP N, UP B - Grundfos і Star Z - Wilo, VS - DAB). Насоси для ГВП відрізняються тим, що мають в назві літеру «Z» або «B», наприклад Star-Z, TOP-Z, UPS-B. Існує помилкова думка, що літера «Z» у маркуванні Wilo вказує на бронзовий корпус насоса і всі відміну насосів для опалення та ГВП полягає саме в матеріалі корпусу. Насправді це не зовсім так. Підтвердженням цього є те, що компанія Wilo виробляє насоси серії «Z» з корпусом з бронзи, нержавіючої сталі і навіть чавуну! Для виготовлення гідравлічної частини циркуляційних насосів Grundfos також використовуються різні матеріали. Також для систем ГВС деякі виробники випускають насоси з незвичайною формою роторів, виконаних у формі півсфери з вбудованим робочим колесом. Така конструкція максимально полегшує промивку та очищення насоса від накипу, а також виключає можливість заклинювання. Правда, при цьому дещо знижується ККД. Так звані «кульові» насоси для гарячого водопостачання випускають сьогодні фірми Deutsche Vortex, Німеччина, і Grundfos, Данія.

         Великою популярністю на ринку України користується циркуляційний насос Grundfos Соmfort. Також серед цікавих ноу-хау слід згадати розробку датської компанії Smedegaar, яка пропонує особливу систему клапанів (TUT-ущільнення), що перешкоджають соляного засмічення ротора безсальниковим насоса для ГВП при перекачуванні жорсткої води. Моделі, де застосовано таке рішення, позначені буквою «V» наприкінці маркування. Що стосується новинок, то оригінальна інженерна думка все ще знаходить прояв головним чином в області автоматики, а також підвищення енергоефективності. Так, найпростішими приладами з точки зору автоматизації роботи та енерго ефективності є стандартні насоси малої та середньої потужності в одно швидкісниому, двошвидкісному і трьохшвидкісному виконанні.

      Одношвидкісні насоси обмежені постійною швидкістю обертання двигуна, постійною витратою теплоносія і, отже, не здатні ефективно підлаштовуватися під реальні потреби системи опалення. Більш просунутими в цьому плані є насоси зі змінною швидкістю обертання (двох-, трьох-, чотиришвидкісні агрегати). Ця технологія забезпечує узгодження кількості перекачуємого обсягу тепло / холодоносія зі зміною гідравлічного опору системи в даний момент часу, а також дозволяє істотно знизити рівень споживаної потужності та експлуатаційних витрат, особливо у випадках часткової або слабкою навантаження, наприклад, у нічний час.

          Найпростішим способом зміни частоти обертання двигуна є метод регулювання «вручну», за допомогою перемикання числа обмоток двигуна, який застосовується в насосах UPS 25 - 40 (Grundfos), RS 25 / 2, TOP SV (Wilo), а також і в насосах VA 35 / 180 (DAB), R2S 25-40 (Nocchi Pumps), HZ 401-25 (Deutsche Vortex), WP 425 (Wester Line). Але говорити в цьому випадку про кардинальне рішення техніко-економічних проблем не доводиться, тому що це вимагає постійного втручання людини. Традиційно параметри системи постійно змінюються і, відповідно, змінюється потрібний витрата теплоносія.

     Згідно статистичному аналізу графіка навантаження опалювальних систем, повна потужність насоса потрібна лише для 6% часу усього опалювального сезону. На час, що залишився для задоволення потреб системи опалення вистачило б і 40% потужності насоса. Виходить, що інші 60% потужності не використовується, залишаючись у резерві, або просто «вилітають у трубу».

       Сьогодні все більшої популярності завойовує автоматичний спосіб регулювання частоти обертання двигуна насоса за допомогою ступеневого або безступінчатого контролю. Ступеневу зміна числа обертів двигуна здійснюється автоматично за допомогою контакторів або реле та забезпечує невелику свободу у виборі робочого режиму. Набагато більш практичні насоси з плавним (безступінчатим) регулюванням швидкості обертання ротора за рахунок зміни частоти струму (UPE, Magna, Alpha від Grundfos; STRATOS, TOP-E від Wilo, HZA від Deutsche Vortex, VEA від DAB). Такий метод регулювання в 1988 р. був вперше реально впроваджений в області насосної техніки інженерами німецької фірми Wilo і застосований в насосах серії TOP-E. У 1991 р. компанія Grundfos виустила насос серії Magna з частотним регулюванням і ротором на постійних магнітах.  Теоретично метод пропорційного регулювання, при якому відбувається зниження напору зі зменшенням подачі, заснований на просте математичної залежності, яка існує між частотою обертання двигуна й основними робочими характеристиками насоса - об'ємним витратою (Q), перепадом тиску (напором) на насосі (Н) і потужністю на валу електродвигуна. Тому через зниження швидкості руху теплоносія значно знижується шум у трубопроводах та терморегулювальних вентилях.