Способ автоматического регулирования и стабилизации объемной подачи вибрационного насоса в различных условиях эксплуатации и вибрационный насос для его осуществления (варианты)
Изобретение относится к производству вибрационных насосов с электромагнитным приводом. Способ регулирования объемной подачи заключается в последовательном включении в электросеть через конденсатор вибрационного насоса, содержащего электромагнитный привод, состоящий из магнитопровода с катушками, и отстоящего от него на величину воздушного зазора якоря, связанного через шток с эластичной и демпфирующей подвесками. Катушки наматывают с условием магнитного насыщения магнитопровода и превращают их в феррорезонансный параметрический колебательный контур. Площадь демпфирующей подвески выполняют в зависимости от жесткости эластичной подвески таким образом, чтобы при максимальном напоре обеспечивалось уменьшение среднего воздушного зазора между магнитопроводом и якорем на 30-40%. Достигается повышение напора, увеличение, стабилизация и автоматическое регулирование объемной подачи в зависимости от напора, повышение надежности при работе без воды, повышенный КПД и ресурс. 3 н. и 9 з.п. ф-лы, 2 ил.
Изобретение относится к машиностроению, в частности к насосостроению, а именно к производству вибрационных насосов с электромагнитным приводом для различных условий эксплуатации при колебаниях напряжения в электросети.
Заявителем не найдены аналоги предлагаемого изобретения, в которых были бы известны технические и конструктивные решения, позволяющие простыми и малозатратными средствами устранить такие характерные недостатки вибрационных насосов, как высокую зависимость объемной подачи и напора от напряжения, низкую надежность из-за возникновения механических соударений между магнитопроводом и якорем при работе без нагрузки или без воды и низкий коэффициент мощности (примерно 0,3).
Обзор российских патентных источников показывает, что известные технические решения частично направлены на устранение отдельных вышеупомянутых недостатков, но при этом усложняют конструкцию и технологию изготовления, что ведет к удорожанию вибрационного насоса и не решает поставленной задачи в целом.
Так, патентом RU 2011024 на "Вибрационный насос" предлагается техническое решение, предусматривающее расположение магнитопровода с катушками в нижней части вибрационного насоса, а всасывающих отверстий - в верхней его части для получения гарантированного охлаждения и тем самым защите насоса от перегрева и выхода из строя. Однако это техническое решение не позволяет обеспечить защиту насоса от возникновения механических соударений магнитопровода с якорем при работе без нагрузки и не обеспечивает стабильности объемной подачи и повышения коэффициента мощности.
Патентом RU 2062909 на "Вибрационный насос" предлагается техническое решение для защиты насоса от механических соударений за счет установки пружины, ограничивающей хода якоря, но при этом усложняется конструкция и технология изготовления вибрационного насоса и не обеспечивается стабильность объемной подачи воды при колебаниях напряжения в электросети. Патентом RU 2244170 на "Вибрационный насос (Варианты)" предлагается техническое решение, увеличивающее объемную подачу и снижающее за счет более эффективного использования потоков рассеяния в магнитопроводе ее высокую зависимость от колебаний напряжения в электросети. Однако это техническое решение не обеспечивает повышения надежности насоса при работе без нагрузки и высокого коэффициента мощности.
Обзор российских информационных источников показывает, что известные технические решения предусматривают снабжение вибрационного насоса стабилизатором напряжения электропитания и отключающим устройством для его защиты от выхода из строя при работе без воды, что ведет к увеличению стоимости и, в целом, делает вибрационный насос неконкурентоспособным. Так, известный вибрационный насос БВ-0.1-63-У5 "Нива" Винницкого завода "Газоанализатор" с электронным защитным устройством, отключающим его при работе без воды, не получил широкого распространения по причине высокой стоимости.
Или, например, стоимость прибора "Пампэла КИВ-1А" исп. В3, предназначенного для отключения вибрационного насоса при работе без нагрузки, такова, что он применяется в основном для автоматизированных систем водоснабжения.
Необходимо также отметить, что выпускаемые промышленностью вибрационные насосы, например БВ 0,12-40 "Ручеек" Руководство по эксплуатации 70 ТНП.000.000 РЭ, 2006, изготовленный ОАО "Ливгидромаш" или БВ-0.12-40-У5 "Малыш" Паспорт ДБМИ.062823.003 ПС, 2007, Бавленского завода "Электродвигатель", кроме указанных недостатков имеют недостаточный напор и малую объемную подачу для работы в системах автоматизированного водоснабжения домов и коттеджей. В большинстве случаев для работы различных автоматизированных систем водоснабжения требуется дополнительное избыточное давление насоса для надежной работы автоматики, а также более высокая объемная подача и повышенный ресурс насоса. Выполнение этих требований также вошло в задачу, решаемую предложенным изобретением.
Наиболее близким по технической идее к изобретению является известный способ регулирования объемной подачи вибрационного насоса, изложенный Б.Порохнявым в статье «Стабилизатор и сторож для вибрационного насоса «Малыш», «Радио» №3, 2002, стр.25, который состоит в том, что последовательно с катушками электромагнитного привода вибрационного насоса включают конденсатор. Однако это техническое решение не обеспечивает стабильности напряжения, так как им не создаются необходимые условия для обеспечения стабилизации напряжения и достижения стабильной объемной подачи и оно не повышает надежность насоса при работе без воды. Для достижения этих целей в статье предлагаются технические решения, аналогичные приведенным выше и значительно увеличивающие себестоимость вибрационного насоса.
Анализ известных технических решений позволяет сделать вывод, что ни одно из них не решает задачи, поставленной предложенным изобретением, а именно создание вибрационного насоса для различных условий эксплуатации, в котором при простоте конструкции и экономичности в производстве и эксплуатации достигаются следующие результаты:
- устойчивая объемная подача воды при различных значениях напора и колебаниях напряжения в электросети;
- автоматическое регулирование объемной подачи в зависимости от напора;
- коэффициент мощности, близкий к единице;
- повышенный КПД;
- повышенный напор и объемная подача;
- повышенный ресурс электромагнитного привода;
- высокая надежность в различных условиях эксплуатации с учетом возможной работы без нагрузки, например при выходе из строя всасывающего клапана или работе без воды.
Поставленная цель в известном способе, заключающемся в последовательном включении вибрационного насоса в электросеть через конденсатор, достигается предложенным способом за счет того, что:
а) для стабилизации объемной подачи катушки электромагнитного привода вибрационного насоса наматывают с условием магнитного насыщения магнитопровода и превращают их в феррорезонансный параметрический колебательный контур;
б) для автоматического управления объемной подачей и создания условий, исключающих механические соударения в насосе при работе без воды, площадь демпфирующей подвески вибрационного насоса выполняют в такой зависимости от жесткости эластичной подвески, которая при максимальном напоре обеспечивает уменьшение среднего воздушного зазора между магнитопроводом и якорем на 30÷40%.
Достижение поставленной цели предложенным способом достигается также тем, что параллельно катушкам электромагнитного привода вибрационного насоса для частичной компенсации их индуктивного сопротивления включают второй конденсатор и превращают их в феррорезонансный параметрический колебательный контур.
Достижение поставленной цели по предложенному способу осуществляется в известном вибрационном насосе, содержащем корпус с электромагнитным приводом, состоящим из магнитопровода с катушками, соединенными с электросетью последовательно через конденсатор, и отстоящим от него на величину воздушного зазора якорем, связанным через шток с эластичной и демпфирующей подвесками за счет того, что предлагается:
а) для стабилизации объемной подачи снабжение корпуса насоса крышкой, под которой размещается соединенный последовательно с катушками конденсатор, обеспечивающий создание в электроцепи насоса феррорезонансных параметрических колебаний и изготовление катушек с условием магнитного насыщения магнитопровода;
б) для автоматического управления объемной подачей и создания условий, исключающих механические соударения в насосе при работе без воды, выполнение площади демпфирующей подвески в соотношении:
S=L·c/p,
где S - площадь демпфирующей подвески в м2;
L=(5,5÷6)·10-3 м - величина, учитывающая изменение зазора между магнитопроводом и якорем в рабочем режиме под воздействием напора;
с - жесткость эластичной подвески в Н/м;
р - максимальный напор в Па.
Поставленная цель в вибрационном насосе, выполненным по предложенному способу, достигается также тем, что:
- корпус насоса имеет, по крайней мере, одно теплоотводящее ребро, расположенное между катушками;
- магнитопровод снабжен полюсными наконечниками;
- полюсные наконечники изготавливаются из порошкового железа.
Достижение поставленной цели по предложенному способу осуществляется также в известном вибрационном насосе, содержащем корпус с электромагнитным приводом, состоящим из магнитопровода с катушками, соединенными с электросетью последовательно через конденсатор, и отстоящим от него на величину воздушного зазора якорем, связанным через шток с эластичной и демпфирующей подвесками за счет того, что предлагается:
а) для стабилизации объемной подачи снабжение насоса отдельным корпусом, в котором размещается соединенный последовательно с катушками конденсатор, обеспечивающий создание в электроцепи насоса феррорезонансных параметрических колебаний и изготовление катушек с условием магнитного насыщения магнитопровода;
б) для автоматического управления объемной подачей и создания условий, исключающих механические соударения в насосе при работе без воды, выполнение площади демпфирующей подвески в соотношении:
S=L·c/p,
где S - площадь демпфирующей подвески в м2;
L=(5,5÷6)·10-3 м - величина, учитывающая изменение зазора между магнитопроводом и якорем в рабочем режиме под воздействием напора;
с - жесткость эластичной подвески в Н/м;
р - максимальный напор в Па.
Поставленная цель в вибрационном насосе, выполненным по предложенному способу, достигается также тем, что:
- параллельно катушкам электромагнитного привода включается конденсатор, который также размещен в отдельном корпусе, и они вместе с последовательно соединенным конденсатором создают в электроцепи насоса феррорезонансные параметрические колебания;
- отдельный корпус снабжен электрической вилкой;
- корпус насоса имеет, по крайней мере, одно съемное теплоотводящее ребро, расположенное между катушками;
- магнитопровод снабжен полюсными наконечниками;
- полюсные наконечники изготавливаются из порошкового железа.
Во-первых, предложенным способом обеспечивается ферромагнитная стабилизация напряжения на катушках электромагнитного привода вибрационного насоса за счет того, что в электроцепи насоса создается феррорезонансная электрическая цепь из последовательно соединенных линейного емкостного сопротивления конденсатора и нелинейного индуктивного сопротивления катушек с насыщенным магнитопроводом.
Для изменения параметров индуктивного сопротивления катушек с насыщенным магнитопроводом предусмотрено включение параллельно катушкам емкостного сопротивления конденсатора.
Указанные условия являются достаточными для ферромагнитной стабилизации напряжения и известны, например, из учебника К.С.Демирчан, Л.Р.Нейман, Н.В.Коровкин, В.Л.Чечурин. Том 2 «Теоретические основы электротехники» 4 изд. ПИТЕР, 2006, гл.21.13. стр.415-416.
Во-вторых, предложенным способом за счет изменения стабилизированного напряжения на катушках электромагнитного привода при изменении напора достигается автоматическое регулирование объемной подачи и создание условий, исключающих механические соударения при работе насоса без нагрузки или без воды. Это осуществляется за счет того, что уменьшение зазора предложенным способом между магнитопроводом и якорем приводит к увеличению индуктивного сопротивления электромагнитного привода и возрастанию в связи с этим напряжения на его катушках. Здесь используется свойство последовательного резонансного контура, состоящее в том, что напряжение на индуктивности определяется отношением индуктивного сопротивления контура к его активному сопротивлению, т.е. при возрастании индуктивного сопротивления электромагнитного привода увеличивается величина отношения индуктивного сопротивления к активному и соответственно возрастает напряжение на катушках электромагнитного привода.
Указанное свойство последовательного резонансного контура известно, например, из учебника Ю.Г.Синдеева «Электротехника с основами электроники» гл.4, п.4.9, стр.93, изд. Феникс, 2002.
Таким образом, изменением зазора предложенным способом обеспечивается изменение стабилизированного напряжения на катушках электромагнитного привода на 25÷30%, что достаточно для эффективного регулирования объемной подачи и создания условий, исключающих механические соударения при работе насоса без воды. Меньшее изменение зазора между магнитопроводом и якорем приводит к уменьшению эффективности регулировки, а большее не целесообразно, так как уменьшает рабочий зазор вибрационного насоса.
В-третьих, предложенным способом создается в электроцепи вибрационного насоса феррорезонансный колебательный контур, содержащий энергозависимую индуктивность электромагнитного привода, которая в процессе работы насоса изменяется с частотой равной удвоенной частоте электросети, что обеспечивает возникновение параметрического резонанса. В рабочем режиме вибрационного насоса параметрические феррорезонансные колебания происходят в контуре, состоящем из нелинейной индуктивности электромагнитного привода и линейных конденсаторов при следующих условиях, когда:
- электромагнитный привод вибрационного насоса совершает полезную работу по подъему воды и соизмеримую с ней работу по компенсации механических и гидравлических потерь;
- потери на нагрев в катушках и магнитопроводе электромагнитного привода вибрационного насоса составляют в реальных конструкциях величину примерно равную энергии затрачиваемой на полезную работу.
Таким образом, в рабочем режиме обеспечивается значительная доля активной составляющей в цепи параметрического феррорезонансного колебательного контура вибрационного насоса, что создает условия стабильности параметрического резонанса, а нелинейный характер индуктивности электромагнитного привода обеспечивает нелинейное ограничение нарастания колебаний. Это способствует сохранению устойчивого резонансного режима в электроцепи вибрационного насоса при различных напорах и напряжениях, а также возрастанию КПД электромеханической системы.
Условия возникновения параметрического резонанса и его стабильности известны и описаны, например, в работах о параметрическом резонансе «Лекции по колебаниям, ч.1, лекции 18-19» Мандельштам Л.И. Полное собрание трудов, т.4 М., 1955.
На фиг.1 изображен вибрационный насос, выполненный по предложенному способу, корпус которого снабжен крышкой, под которой размещается конденсатор, соединенный последовательно с катушками.
Вибрационный насос содержит корпус 1 с теплоотводящим ребром 2 и крышкой 3, электрический конденсатор (из конструктивных соображений), состоящий из двух последовательно соединенных конденсаторов 4 и 5, электромагнитный привод, состоящий из магнитопровода 6 с полюсными наконечниками 7, катушками 8 и с воздушным зазором d от него якоря 9, установленного на штоке 10 с эластичной подвеской 11 и демпфирующей подвеской 12, всасывающий клапан 13 и обратный клапан 14.
На фиг.2 изображен вибрационный насос, выполненный по предложенному способу с отдельным корпусом для размещения конденсаторов, один из которых последовательно соединяет катушки электромагнитного привода с электросетью, а другой включен параллельно им.
Вибрационный насос содержит корпус 1 со съемным теплоотводящим ребром 2, отдельный корпус 3, электрический конденсатор 4, последовательно соединяющий катушки с электросетью, электрический конденсатор 5, параллельно включенный катушкам, электромагнитный привод, состоящий из магнитопровода 6 с полюсными наконечниками 7, катушками 8 и с воздушным зазором d от него якоря 9, установленного на штоке 10 с эластичной подвеской 11, демпфирующей подвеской 12, всасывающий клапан 13, обратный клапан 14 и электрическая вилка 15.
Вибрационный насос, выполненный по предложенному способу, работает следующим образом. При включении вибрационного насоса в электросеть без воды, например для проверки целостности обмоток катушек 8, напряжение на них имеет минимальное значение, что не позволяет якорю 9, совершающему под действием электромагнитной силы продольные колебания, соударяться с магнитопроводом 6. При погружении вибрационного насоса в воду колебания якоря 9 посредством всасывающего клапана 13 и обратного клапана 14 обеспечивают создание напора и подачу воды. При работе под нагрузкой давление воды воздействует на демпфирующую подвеску 12 и через нее на эластичную подвеску 11, изменяя зазор d и через это изменяя напряжение на катушках 8 электромагнитного привода, которое устанавливается пропорционально напору до достижения максимального значения при максимальных значениях напора. Колебания стабилизированного напряжения на катушках электромагнитного привода аналогичны колебаниям выходного напряжения феррорезонансных стабилизаторов и составляют при отклонении напряжения в электросети ±10% примерно ±2%, что обеспечивает стабильность объемной подачи при работе насоса в различных условиях эксплуатации.
Достижение высокого значения коэффициента мощности (cos φ) вибрационного насоса, выполненного по предложенному способу, обеспечивается за счет режима феррорезонанса и выбора напряжения на катушках, при котором насос представляет собой в электросети активную нагрузку.
В вибрационном насосе, выполненном по предложенному способу, по сравнению с известным вибрационным насосом достигается повышение напора и объемной подачи за счет повышения КПД, а также за счет того, что увеличенный в известном вибрационном насосе в расчете на повышение напряжения в электросети зазор d между магнитопроводом 6 электромагнита и якорем 9 при стабилизированном напряжении используется для увеличения амплитуды колебаний и совершения полезной работы.
Необходимо отметить, что повышение напора вибрационного насоса, реализованного по предложенному способу, обеспечивается также выбором суммарной жесткости эластичной и демпфирующей подвески с учетом величины напора и общих требований гидравлического расчета. При этом следует также учесть, что величина суммарной жесткости эластичной и демпфирующей подвесок согласуется с известными из авторского свидетельства SU №737645 А, кл. F04В 43/04, 1978 условиями создания резонансных колебаний вибратора и известным соотношением жесткости демпфирующей подвески, составляющим 10÷20% к суммарной жесткости эластичной и демпфирующей подвесок.
Катушки и магнитопровод вибрационного насоса, выполненного для реализации предложенного способа, изготавливаются с учетом того, что магнитопровод электромагнита должен быть насыщен, а катушки должны быть рассчитаны на увеличение напряжения на них в результате создания феррорезонансного режима.
В вибрационном насосе, выполненном по предложенному способу, увеличение напряжения на катушках и конденсаторе относительно напряжения электросети устанавливается его параметрами и выбранным напряжением на них.
Теплоотводящее ребро, выполненное или установленное в корпусе вибрационного насоса, реализованного по предложенному способу и расположенное в пространстве между катушками, снижает максимальную температуру перегрева в пространстве между ними и выравнивает температуру перегрева катушек по всему объему, что обеспечивает увеличение ресурса.
Необходимо отметить, что электромагнитный привод с теплоотводящим ребром выполняется в габаритном размере известного вибрационного насоса за счет меньшего сечения насыщенного магнитопровода и увеличения за счет этого расстояния между кернами магнитопровода и катушками.
Полюсные наконечники вибрационного насоса, выполненного по предложенному способу, позволяют наряду с увеличенным расстоянием между кернами магнитопровода перераспределить магнитный поток рассеяния в пользу потока, проходящего через рабочий зазор, и снизить общий ток и перегрев катушек вибрационного насоса.
Полюсные наконечники из технологических соображений целесообразно в ряде случаев выполнять из порошкового железа, скрепив их на магнитопроводе заливочной массой.
1. Способ регулирования объемной подачи, заключающийся в последовательном включении в электросеть через конденсатор вибрационного насоса, содержащего электромагнитный привод, состоящий из магнитопровода с катушками и отстоящего от него на величину воздушного зазора якоря, связанного через шток с эластичной и демпфирующей подвесками, отличающийся тем, что катушки наматывают с условием магнитного насыщения магнитопровода и превращают их в феррорезонансный параметрический колебательный контур, а площадь демпфирующей подвески выполняют в зависимости от жесткости эластичной подвески таким образом, чтобы при максимальном напоре обеспечивалось уменьшение среднего воздушного зазора между магнитопроводом и якорем на 30-40%.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что параллельно катушкам электромагнитного привода включают конденсатор и превращают их вместе с последовательно включенным конденсатором в феррорезонансный параметрический колебательный контур.
3. Вибрационный насос, содержащий корпус с электромагнитным приводом, состоящим из магнитопровода с катушками, включенными в электросеть последовательно через конденсатор, и отстоящего от него на величину воздушного зазора якоря, установленного на штоке с эластичной и демпфирующей подвесками, отличающийся тем, что корпус насоса снабжен крышкой, под которой размещен соединенный последовательно с катушками конденсатор, обеспечивающий создание в электроцепи насоса феррорезонансных параметрических колебаний, катушки изготовлены с условием насыщения магнитопровода, площадь демпфирующей подвески выполнена в соотношении
S=L·c/p,
где S - площадь демпфирующей подвески, м2;
L=(5,5÷6)·10-3 - величина, учитывающая изменение зазора между магнитопроводом и якорем в рабочем режиме под воздействием напора, м;
с - жесткость эластичной подвески, Н/м;
р - максимальный напор, Па.
4. Вибрационный насос по п.3, отличающийся тем, что корпус снабжен, по крайней мере, одним теплоотводящим ребром, расположенным между катушками.
5. Вибрационный насос по п.3, отличающийся тем, что магнитопровод снабжен полюсными наконечниками.
6. Вибрационный насос по п.5, отличающийся тем, что полюсные наконечники изготовлены из порошкового железа.
7. Вибрационный насос, содержащий корпус с электромагнитным приводом, состоящим из магнитопровода с катушками, включенными в электросеть последовательно через конденсатор, и отстоящего от него на величину воздушного зазора якоря, установленного на штоке с эластичной и демпфирующей подвесками, отличающийся тем, что насос снабжен отдельным корпусом, в котором размещен соединенный последовательно с катушками конденсатор, обеспечивающий создание в электроцепи насоса феррорезонансных параметрических колебаний, катушки изготовлены с условием насыщения магнитопровода, площадь демпфирующей подвески выполнена в соотношении
S=L·c/p,
где S - площадь демпфирующей подвески, м2;
L=(5,5÷6)·10-3 - величина, учитывающая изменение зазора между магнитопроводом и якорем в рабочем режиме под воздействием напора, м;
с - жесткость эластичной подвески, Н/м;
р - максимальный напор, Па.
8. Вибрационный насос по п.7, отличающийся тем, что параллельно катушкам электромагнитного привода включен конденсатор, который вместе с последовательно соединенным конденсатором выбран с учетом создания в электроцепи насоса феррорезонансных параметрических колебаний и размещен вместе с ним в отдельном корпусе.
9. Вибрационный насос по п.7, отличающийся тем, что отдельный корпус снабжен электрической вилкой.
10. Вибрационный насос по п.7, отличающийся тем, что корпус насоса снабжен, по крайней мере, одним съемным теплоотводящим ребром, расположенным между катушками.
11. Вибрационный насос по п.7, отличающийся тем, что магнитопровод снабжен полюсными наконечниками.
12. Вибрационный насос по п.11, отличающийся тем, что полюсные наконечники изготовлены из порошкового железа.
