Всасывающий клапан и мембрана выполнены из эластичной резины, выдерживающей долгую циклическую работу.
Якорь вместе с другими деталями на штоке при сборке насоса устанавливают так, чтобы между ним и сердечниками электромагнита был определенный рабочий зазор 3,5–4 мм, необходимый для вибрирования. Зазор этот определяется как разность двух измеренных линейкой величин б = а — в (рис. 2).
Рассмотрим принцип работы насосов, считая, что якорь, мембрана и другие детали на штоке вибрируют в такт синусоидального изменения тока в катушках. При подключении насоса к сети ~220 В в катушках потечет ток i (рис. 3), наводящий в магнитопроводе магнитный поток Ф, тоже синусоидальный, который создает усилие притяжения Рэ якоря, равное
Рэ = К∙Ф2,
где К — коэффициент, зависящий от конструкции электромагнита.
Как видно из рис. 3, усилие Рэ всегда положительно и его величина изменяется от нулевого значения до максимальной величины в секунду 100 раз, а ему противодействует усилие пружин резиновых деталей, зависящее от величины прогибов.
Рис. 3. Ток и усилие в электромагните насоса:
i — ток в катушках; Рэ, Рп — электромагнитное и противодействующее усилия
При условно принятом положительном направлении тока в катушках с момента времени t1 усилие электромагнита становится больше противодействующего усилия резиновых пружин, якорь притягивается к сердечникам электромагнита и соответственно центр мембраны приподнимается на величину зазора б (при этом края мембраны не отрываются от корпуса насоса). В рабочей камере образуется разрежение, благодаря чему всасывающий клапан открывается и небольшая порция воды поступает через отверстия в рабочую камеру. Начиная с момента времени t2 усилие электромагнита становится меньше противодействующего усилия, якорь вместе с мембраной возвращается в исходное положение, объем рабочей камеры уменьшается, давление в ней увеличивается, всасывающий клапан закрывается, и вода, приподнимая края мембраны, поступает в напорную камеру.
А при противоположном направлении тока в катушках, начиная с момента времени t3, якорь вновь притягивается к сердечникам электромагнита, мембрана приподнимается, и вода поступает в рабочую камеру, а с момента времени t4 якорь и мембрана возвращаются в исходное положение, и очередная порция воды поступает в напорную камеру. Такое циклическое перекачивание воды из водоема в рабочую камеру, а из нее — в напорную происходит в секунду 100 раз, поток воды устремляется через напорный канал и патрубок в шланг и далее по назначению.
Производительность насоса зависит от глубины его нахождения в скважине или колодце. Чем глубже расположен насос от поверхности земли, тем сильнее давит столб воды, находящейся в шланге и напорной камере, на мембрану и тем меньше воды поступает из водоема в рабочую камеру соответственно из рабочей в напорную, потому что к противодействующему усилию пружин дополнительно прибавляется усилие давления столба воды на мембрану со стороны напорной камеры. Например, для насоса «Малыш» при работе на глубине 40 м от поверхности земли производительность равна 430 л/ч, а при глубине 1 м — 1500 л/ч.
По той же причине во врем работы насоса категорически воспрещается пережимать шланг или перекрывать воду в трубопроводе, а также нельзя пользоваться шлангом очень большой длины (в руководствах диаметр и максимально допустимая длина шланга указаны), в котором создается большое гидравлическое сопротивление. В обоих случаях чрезмерное давление на мембрану приводит к перегоранию катушек.
Далее решим небольшую задачу. Насос качает воду из пруда, его производительность 1080 л/ч. Спрашивается, какое количество воды поступает из рабочей камеры в напорную за 1 ход якоря. Выразим производительность в см3/ч:
1080 л/ч = 1080х1000 = 1 080 000 см3/ч.
Число колебаний якоря в час (3600 с) — 3600 х 100 = 360 000.
Количество перекачиваемой воды за 1 ход якоря:
1 080 000/360 000 = 3 см3.
Насос за 10 с перекачивает воду в количестве: 10x100x3 = 3000 см = 3 л. Этой величиной производительности (3 л за 10 с) будем пользоваться при наладке насосов после их ремонта.
Из практики ремонта насосов можно назвать следующие причины выхода их из строя в процентах: перегорание катушек электромагнита — 90 % и остальные 10 % — износ мембран и всасывающих клапанов, самопроизвольное отвинчивание гаек крепления и попадание воды в приводную камеру.
Последние неисправности насоса легко устранимы. При износе мембраны или всасывающего клапана вибратор работает нормально, но подача воды очень низкая. В этом случае разбирают насос и износившуюся мембрану или клапан меняют на новые. При этом шайбы и гайки желательно поставить из нержавеющего материала (латунь или нержавеющая сталь). Если таковой возможности нет, то нужно поставить стальные же с последующей их покраской для защиты от коррозии тонким слоем эпоксидной смолы.
Если питающий кабель в сальниковом вводе в хорошем состоянии и катушки электромагнита целы и невредимы, но их сопротивление изоляции относительно корпуса, измеренное мегометром, очень мало, это является первым признаком проникновения воды в приводную камеру (сопротивление изоляции токоведущих частей насоса относительно корпуса считается нормальным при Rиз>= 2 МОм). Вода, попав в нее, проникает в шихтованный набор магнитопровода и через микротрещины залитого слоя эпоксидного клея — в катушки. Сопротивление изоляции резко падает. Таким насосом категорически запрещено пользоваться. В этом случае поступают так. Разбирают насос, в приводной камере ветошью вытирают влагу и грязь, ржавые места сердечников и якоря очищают шкуркой. Затем приводную камеру зажимают в тиски, на сердечники сверху устанавливают якорь и электромагнит насоса подсоединяют к источнику напряжения 36 В, в качестве последнего можно использовать трансформатор 220/36 В мощностью не менее 25 Вт. Электромагнит оставляют включенным на 5–6 ч, в течение которых магнитопровод и катушки нагреваются и вода из них удаляется. По истечении этого времени, отключая электромагнит от источника 36 В, измеряют вновь сопротивление изоляции токоведущих частей относительно корпуса, которое должно быть Rиз>= 2 МОм. Если дальнейший нагрев электромагнита не приводит к повышению сопротивления изоляции, то электромагнит подлежит полному ремонту.
При нормальном сопротивлении изоляции катушек приступают к сборке насоса. Перед сборкой еще раз вытирают ветошью приводную камеру, рабочие поверхности сердечников магнитопровода и якоря смазывают тонким слоем машинного масла, а нерабочие поверхности якоря и трещины в залитом слое эпоксидного клея покрывают тонким слоем этого же клея. При сборке насоса соприкасающиеся поверхности прокладки и приводной камеры смазывают тонким слоем вакуумной смазки (ею пользуются водители) или эпоксидной смолы (не клея!) и надежно стягивают их между собой болтами, которые затем закрашивают водостойкой краской или эмалью. Вакуумная смазка или эпоксидная смола липкой консистенции, не высыхает от времени и, заполняя все микротрещины на соприкасающихся поверхностях, надежно преграждает проникновение воды в приводную камеру.
Выше было отмечено, что основной причиной выхода из строя насосов является перегорание катушек электромагнита. Укажем основные причины их перегорания.
1. Катушки работают от сети переменного тока, и величина тока, проходящего по ним (эффективный ток, который измеряет амперметр), определяется по формуле:
J = U/√(R2 + Х2),
где U — напряжение сети 220 В;
R и X — омическое индуктивное сопротивление, Ом.
Забегая вперед, отметим, что катушки электромагнита намотаны проводом dиз = 0,63 мм и величина их сопротивлений постоянная. Например, для насоса «Малыш» сопротивление катушки равно R = 4,66 Ом.
Индуктивное сопротивление катушек — величина не постоянная, а зависит она от величины зазора б между якорем и сердечниками. При полностью притянутом якоре к сердечникам зазор равен нулю, индуктивное сопротивление максимально и, как следует из формулы, ток минимален. При оттянутом жоре от сердечников картина меняется на противоположную: зазор максимален, индуктивное сопротивление минимально и соответственно ток максимален. Таким образом, при каждом ходе якоря ток меняется от максимальной величины до минимальной. И чем больше величина зазора, тем больше величина эффективного тока (табл. 1) и тем больше вероятность перегорания катушек по причине их перегрева от повышенного тока.
Тепло Q, выделяемое в катушках от проходящего по ним тока J, равно:
Q = J2∙R∙t,
где R — омическое сопротивление, Ом; t — время.
Из формулы следует, что, чем больше ток, проходящий по катушкам, тем сильнее они нагреваются. Если теплоотвод с внутренних, наиболее сильно нагретых слоев катушек незначительный, то они в конечном счете перегорают из-за перегрева. Отметим следующее наблюдение: срок службы катушек, намотанных из проводов с эмалевой изоляцией и пропитанных лаком, при температуре t = 90 °C — 10 лет, а при t = 110 °C — 2,5 года. При дальнейшем повышении температуры срок службы катушек сокращается до нескольких месяцев, и наоборот, при t = 80 °C срок службы увеличивается до 20 лет. Поэтому для увеличения срока службы катушек насосов допускать их перегрева нельзя выше предельно допустимой температуры для данного класса изоляции проводов. Насосы должны работать только при погружении в воде, когда происходит интенсивный теплосъем с нагретых частей катушек и магнитопровода.