ПОГРУЖНОЙ ВИБРАЦИОННЫЙ НАСОС

Полезная модель относится к области гидравлики, в частности касается конструкции погружного вибрационного насоса, который может использоваться как для бытовых, так и для промышленных целей.
Погружные вибрационные насосы используются для перекачки воды из водоемов, колодцев, скважин и различных емкостей, для откачивания из подвалов воды после затопления, для полива садов, огородов, приусадебных участков, для систем водоснабжения бытовых и производственных зданий. Вибрационные насосы, как и прежде, остаются вне конкуренции на потребительском рынке. Этому способствует доступная цена в сочетании с такими их качествами, как неприхотливость, простота применения, компактность и мобильность. Вибрационный насос как гидравлическое устройство предназначен для длительной работы, поскольку устроен очень просто без использования механических частей, подверженных повышенному износу: электромагнит и сердечник, открывающий клапан насоса с частотой 100 Гц. Важное условие - вибрационный насос должен быть полностью погружен в воду, что гарантирует бесперебойную работу в течение длительного времени.
Известен электромагнитный вибрационный насос, содержащий корпус с размещенными в нем электромагнитом и вибратором, включающем якорь, выполненный наборным из формованных листов электротехнической стали с пазом в нижней его части (Усаковский В.М. «Инерционные насосы» М, «Машиностроение», 1973, стр. 118-119). Данное решение принято в качестве прототипа.
Такой погружной вибрационный насос состоит из следующих основных узлов: корпуса насоса, электромагнита и вибратора. Электромагнит состоит из сердечника и обмотки. Сердечник П-образного вида, выполнен из стали электротехнической листовой. Обмотка состоит из 2-х последовательно соединенных катушек. В корпус размещены сердечник и обе катушки, они залиты компаундом. Он обеспечивает изоляцию, закрепление сердечника с катушками в корпусе и отвод тепла от катушек. Вибратор состоит из якоря, в котором запрессован шток. На штоке есть резиновая пружина - амортизатор, который жестко крепится гайками на валу. Внутри амортизатора есть втулка, она ограничивает сжатие амортизатора. На определенном расстоянии от амортизатора установлена резиновая диафрагма: она выполняет роль дополнительной опоры для штока и направляет его. Она также отделяет гидравлическую камеру от электрической. В корпусе насоса установлен клапан, закрывающий входные отверстия. При отсутствии давления происходит свободное вытекание жидкости через специальный зазор, размером 0,6-0,8 мм.
При подключении вибрационного насоса к электропитанию (50 Гц) якорь насоса притягивается к сердечнику. Каждые полпериода амортизатор отбрасывает якорь обратно. Так за 1 период токовой волны, якорь притягивается 2 раза. Следовательно, при частоте 50 Гц за 1 сек. якорь притягивается 100 раз. Так же часто вибрирует и поршень, расположенный на штоке с якорем. Принцип работы вибрационного насоса основан на создании внутри прибора электромагнитного поля. При включении насоса в сеть, ток попадает на обмотку катушки, образовывая при этом магнитное поле, которое, в свою очередь, втягивает сердечник, соединенный с резиновой диафрагмой.
Гидравлическая камера образуется за счет объема, ограниченного поршнем и клапаном в корпусе. Так как вода, перекачиваемая насосами из источников, является двухкомпонентной смесью, содержащей растворенный и не растворенный воздух, то она обладает некоторой упругостью - пружинит при механическом воздействии, что и происходит в гидравлической камере при колебании поршня. Вода в насосе обладает определенной упругостью, за счет того что содержит в себе растворенный и нерастворенный воздух, и как пружина, сжимается и разжимается, а излишки воды выталкиваются в напорный патрубок. В это время клапан обеспечивает вход воды и ограничивает ее выход через всасывающие отверстия.
Диафрагма также изгибается и создает в гидравлической камере прибора пониженное давление, втягивающее в корпус воду. Диафрагма при этом возвращается в первоначальное положение и в камере образуется избыточное давление, которое перекрывает клапан для входа воды. И воде ничего не остается делать, как устремиться в трубу выхода. Такие возвратно-поступательные движения резиновой диафрагмы создают в приборе постоянный поток воды.
Такой насос обладает следующими достоинствами: отсутствие в конструкции насоса электродвигателя и вращающихся частей, возможность откачивания грязной воды, а также ила и песка со дна колодца или скважины, невысокая цена. Но при этом имеет недостатки, заключающиеся в необходимости в применении стабилизаторов напряжения при возможности перепадов электроэнергии в сети, а постоянная вибрация прибора приводит к постепенному разрушению скважины.
Для стабильной работы вибрационного насоса с заданными заводскими параметрами напора и производительности необходимо, чтобы рабочий зазор между якорем и сердечником, между поршнем и клапанами, был правильно откалиброван, выставлен и настроен. Эта процедура очень дорогостоящая и трудоемкая, так как регулирование зазора происходит путем добавления или удаления регулировочных шайб. Для выставления правильного рабочего зазора между якорем и сердечником в погружном насосе необходимо соблюсти еще один немаловажный пункт - это стабильное напряжение в сети 220 В, при котором на заводе изготовителе тестируются насосы. А в условиях сельской местности, зачастую, имеет место быть пониженное напряжение порядка 190-200 В, в то время как, в городе оно наоборот может быть повышенным. Пониженное напряжение снижает в разы напор и производительность погружного вибронасоса, а вот повышенное уже приводит к увеличению шума с явным оттенком металлического стука в работе, т.е. к соударению якоря и сердечника, в результате чего ломается шток и рвется поршень.
В связи с этим необходимо предпринять некоторые конструктивные изменения, которые позволили бы способствовать снижению энергопотребления и стабилизации параметров погружного вибрационного насоса, и упростить процедуру регулировки насоса.
Настоящая полезная модель направлена на достижение технического результата, заключающегося в повышении стабильности работы погружного вибрационного насоса при пониженном до уровня 200 В напряжении за счет исключения вибрационных режимов, обусловленных появлением резонанса, и упрощения регулировки зазора путем изменения натяжения упругого элемента (пружины).
Указанный технический результат достигается тем, что погружной вибрационный насос, содержащий корпус, в нижней части которого размещен залитый компаундом электромагнит, состоящий из сердечника и обмотки из последовательно соединенных катушек, вибратор в виде якоря, в котором запрессован шток, на котором жестко закреплена резиновая пружина, выполняющая функцию амортизатора, при этом на расстоянии от резиновой пружины на штоке установлена резиновая диафрагма, выполняющая функцию дополнительной направляющей опоры для штока и отделяет гидравлическую камеру от электрической, в верхней части корпуса установлен клапан, открывающий по крайней мере одно входное отверстие при ходе штока в сторону электромагнита, и выполнен патрубок для выхода воды из гидравлическую камеры наружу при ходе штока в обратную сторону и перекрытии входного отверстия, снабжен упругим элементом, размещенным на штоке между амортизатором и резиновой диафрагмой для снижения резонансных явлений при понижении напряжения питания электромагнита.
Указанные признаки являются существенными и взаимосвязаны с образованием устойчивой совокупности существенных признаков, достаточной для получения требуемого технического результата.
Настоящая полезная модель поясняется конкретным примером исполнения, который, однако, не является единственно возможным, но наглядно демонстрирует возможность достижения требуемого технического результата. На приведенном рисунке изображен продольный разрез погружного вибрационного насоса, выполненного согласно настоящей полезной модели.
Согласно настоящей полезной модели рассматривается конструкция усовершенствованного погружного вибрационного насоса, который может использоваться как для бытовых, так и для промышленных целей для перекачки воды из водоемов, колодцев, скважин и различных емкостей, для откачивания из подвалов воды после затопления, для полива садов, огородов, приусадебных участков, для систем водоснабжения бытовых и производственных зданий.
Такой погружной вибрационный насос содержит корпус 1, выполненный из традиционного алюминия (силумин). Свойства алюминия для использования в вибрационном насосы общеизвестны. Алюминий не коррозирует в воде и обладает важной характеристикой - теплопроводностью. Погружной вибрационный насос из алюминия, в процессе работы прекрасно передает тепло окружающей среде - воде. Остужая насос, силумин предохраняет его избыточного тепла и выхода из строя.
В нижней части корпуса 1 размещен залитый компаундом 2 электромагнит, состоящий из сердечника 3 и обмотки 4 из последовательно соединенных катушек. Над электромагнитом с зазором к последнему расположен вибратор в виде якоря 5. 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%. Электромагнит состоит из П-образного сердечника, собранного из листовой электротехнической стали и двух катушек, намотанных эмалированным медным проводом. Сердечник с катушками устанавливается в корпус и заливается эпоксидным компаундом. Компаунд служит для закрепления сердечника с катушками в корпусе, служит изоляционным материалом и обеспечивает отвод тепла от катушек к корпусу, через который происходит их охлаждение. Компаунд готовится из эпоксидной смолы, пластификатора, отвердителя и кварцевого песка, улучшающего теплопроводность.
Вибратор состоит из якоря 5 с запрессованным в нем штоком 6. На штоке жестко установлена (закреплена) резиновая пружина, называемая амортизатором 7. От качества изготовления амортизатора зависят параметры насоса, его экономичность. Амортизатор расположен в нижней части штока. В верхней части корпуса так же выполнен патрубок 8 для выхода воды из гидравлической камеры наружу при ходе штока в обратную сторону и перекрытии входного отверстия 9.
На штоке 6 на расстоянии от резиновой пружины установлена резиновая диафрагма 10, выполняющая функцию дополнительной направляющей опоры для штока. Амортизатор выполняется из натурального каучука, который подвергается вулканизации в течение длительного времени. Это обеспечивает стабильные параметры насоса. Резиновая диафрагма, установленная на соответствующем расстоянии от амортизатора через дистанционную муфту, служит дополнительной опорой штоку и обеспечивает его направление. Диафрагма также разделяет электрическую и гидравлическую камеру, находящуюся под давлением. Упор (втулка 12 - ограничивает сжатие амортизатора) обеспечивает сжатие и фиксацию диафрагмы в корпусе насоса. А за диафрагмой на штоке закреплен резиновый поршень 13 для обеспечения возможности перекрытия входного канала 14 в верхней части корпуса, в котором установлен обратный клапан 15, открывающий по крайней мере одно входное отверстие 9 при ходе штока в сторону электромагнита.
В верхней части корпуса установлен обратный клапан 15, открывающий по крайней мере одно входное отверстие 9 при ходе штока в сторону электромагнита. Между клапаном и корпусом имеется зазор 0,6-0,8 мм, что обеспечивает свободное вытекание жидкости при отсутствии давления. Клапан также изготавливается из высококачественной резины.
Особенность предложенного вибрационного насоса является то, что он снабжен упругим элементом 16, размещенным на штоке между амортизатором и резиновой диафрагмой для снижения резонансных явлений при понижении напряжения питания электромагнита. Этот упругий элемент поджимает диафрагму и амортизатор, то есть находится между ними в некотором упруго напряженном состоянии. Изменением натяжения упругого элемента (пружины) 16 обеспечивают упрощения регулировки зазора в настройке насоса. Для этого в насосе между якорем 5 и амортизатором 7 расположен резиновый упругий элемент 18, дополнительно обеспечивающий успокоение якоря при работе.
Принцип работы вибрационного насоса основан на создании внутри агрегата электромагнитного поля. При включении насоса в сеть 17, ток попадает на обмотку катушки, образовывая при этом магнитное поле, которое, в свою очередь, втягивает якорь, соединенный с резиновой диафрагмой. Диафрагма также изгибается и создает в гидравлической камере агрегата пониженное давление, втягивающее в корпус воду через открывающийся в верхней части корпуса клапан. Диафрагма при этом возвращается в первоначальное положение и в камере образуется избыточное давление, которое перекрывает клапан для входа воды. И воде устремляется в патрубок для выхода. Такие возвратно-поступательные движения резиновой диафрагмы создают в агрегате постоянный поток воды.
Вибрационный насос работает за счет изменения давления в нагнетающей камере насоса. Подсос воды во всасывающую камеру обеспечивается возвратно-поступательными движениями резиновой диафрагмы/поршня. Если рассматривать более детально, то выглядит это примерно так. Когда агрегат включается в электрическую сеть, на обмотку катушки подается ток и вокруг образуется магнитное поле. В результате катушка П-образного сердечника намагничивается и притягивает к себе якорь-катушку, находящуюся в нагнетающей камере. В результате этого резиновый поршень/диафрагма через шток изгибается внутрь и подтягивается ближе к нагнетающей камере, поэтому во всасывающей камере создается разрежение, давление уменьшается. Пространство всасывающей камеры заполняется водой, которая подсасывается через обратный клапан из источника. Сама суть переменного тока такова, что на некоторое мгновение намагничивание исчезает, шток отбрасывается обратно с помощью упругости амортизатора. Поршень начинает давить на воду, находящуюся внутри всасывающей камеры, там повышается давление. Так как обратный клапан закрыт давлением воды, то вода перетекает в нагнетающую камеру. Когда намагничивание снова появляется и шток оттягивается назад вместе с поршнем, в нагнетающей камере повышается давление и вода вытесняется по каналам к патрубку. В это же самое время во всасывающей камере происходит разрежение и нагнетание воды из источника. Такие такты - намагничивание/размагничивание - происходят с частотой 100 раз в секунду. Возвратно-поступательные движения штока, по сути, являются вибрациями.
Описанный процесс работы насоса рассчитан на стабильные показатели при отсутствии вибрации корпуса. Такой процесс реализуется при напряжении сети 220 В. При снижении напряжения до 200 В (диапазон 190-210 В) (частое явление, особенно для сельской местности, а в некоторых регионах это объективно достигаемый режим напряжения) возникает перегрев корпуса и появляется вибрация, что в совокупности приводит к нестабильной работе насоса и выходу его из строя.
Рабочее напряжение для вибрационного насоса обязательно должно составлять 220 В (±10%). Все погружные вибрационные насосы очень требовательны к устойчивому переменному напряжению. Понижение напряжение для вибрационного насоса в зависимости от индивидуальных условий эксплуатации ведет к понижению напора, но увеличивается подача насоса. Увеличение напряжения для вибрационного насоса выше требуемого, оказывает влияние на плохую работу насоса. Возникают незапланированные дополнительные соударения в электроприводе вибрационного насоса, и это может привести к выходу из строя погружного насоса. Могут срывать винты крепления корпуса насоса с электроприводом, ломаться штоки в вибрационных насосах, включая и иные неисправности.
Эти неисправности возникают вследствие образования в насосе вибрационных процессов, обусловленных резонансными явлениями. Известно, что резонанс - это явление совпадения частот колебаний отдельных элементов конструкции. Для исключения этого явления необходимо компенсировать или нейтрализовать начало возникновения резонанса за счет введения третьего элемента, частота которого не совпадает с частотой колебаний других элементов, входящих в резонанс. В рамках настоящей полезной модели эта проблема решается за счет размещения на штоке между амортизатором и резиновой диафрагмой дополнительного упругого элемента в виде пружины сжатия. При возникновении резонанса колебания одних элементов складываются с колебаниями пружины сжатия и компенсируются на ней. Это позволяет снизить резонансных явлений при понижении напряжения питания электромагнита.
Настоящая полезная модель промышленно применена, так как может быть реализована в режиме усовершенствования уже выпускаемых погружных вибрационных насосов. Создание пружинного механизма для вибрационного насоса, технический результат которого приведет к увеличению коэффициента полезного действия, а также стабильным характеристикам насоса в диапазоне питающего напряжения 190-240 В, а также будет способствовать снижению энергопотребления, стабилизации параметров насоса за счет использования пружинных амортизаторов.