Гидравлика и гидропривод

Зная мощность насоса JVH.B и частоту вращения его вала ян, можно определить еще один показатель — момент на валу:

Рабочий объем [см. (11.4)]

^н=,(Зн/(п„г1„.о)= 76,5/(975-0,95) =0,0826 дм3=82,6 см3.

11.3. Поршневые насосы

11.3.1. Устройство и принцип действия

Основные элементы поршневых насосов — цилиндр, поршень и распределители, при помощи которых цилиндр попеременно со­ общается то с линией всасывания, то с линией нагнетания. Ха­ рактерными признаками насосов являются кратность действия, конструкция поршня, число и расположение цилиндров, кон­ струкция распределителя.

Так как принцип действия всех насосов одинаков, рассмот­ рим наиболее простой одноцилиндровый насос однократного действия (рис. 11.2, а).

При движении поршня 2 вправо увеличивается объем рабо­ чей камеры, в цилиндре /, вследствие чего давление в ней умень­ шается, всасывающий клапан 3 открывается, и жидкость вса­ сывается в цилиндр из подводящего патрубка. При движении поршня влево объем рабочей камеры уменьшается, давление в ней возрастает, всасывающий клапан закрывается, а нагнета­ тельный клапан 4 открывается, и жидкость вытесняется из ци­ линдра в нагнетательный патрубок. Таким образом, насос од­ нократного действия за один оборот кривошипного вала один раз вытесняет жидкость из рабочей камеры.

Процесс изменения давления в цилиндре в зависимости от изменения объема рабочей камеры V или хода поршня 5 мож­ но проследить по индикаторной диаграмме (рис. 11-2, д), пло­ щадь которой пропорциональна работе насоса за цикл-

Открывание всасывающего клапана происходит в точке х, закрывание — в точке у. Линия ху соответствует изменению дав­ ления в цилиндре при всасывании жидкости и располагается ниже'линии kl среднего давления рi во всасывающем патрубке насоса на расстоянии, соответствующем величине потерь дав-

ления от всасывающего патрубка до цилиндра. Линия уи соот­ ветствует сжатию жидкости в цилиндре от момента закрывания всасывающего клапана до момента открывания нагнетательно­ го клапана (в точке и). Так как жидкость практически несжи­ маема, линия уи почти параллельна оси ординат, т. е. открыва­ ние нагнетательного клапана происходит практически мгновен­ но после закрывания всасывающего. Линия иг соответствует нагнетанию жидкости из цилиндра в нагнетательный патрубок и располагается несколько 'выше линии тп среднего давления р2 в нагнетательном патрубке на расстоянии, соответствующем величине потерь давления от цилиндра до нагнетательного па­ трубка. Линия гх соответствует падению давления в, цилиндре после закрывания нагнетательного клапана (в точке г) до от­ крывания всасывающего (в точке х). Эта линия, как и уи, из-за несжимаемости жидкости практически параллельна оси ординат, т. е. открывание всасывающего клапана также про­ исходит практически мгновенно после закрывания нагнетатель­ ного. Отрезок Д1/в пропорционален объему вредного простран­ ства цилиндра, отрезок kl — объему всасываемой жидкости ,в цилиндр, отрезок тп — объему нагнетаемой жидкости в нагне­ тательный патрубок (подача насоса).

Колебание давления в момент открывания всасывающего (правее точки х) и нагнетательного (левее точки и) клапанов объясняется их инерционностью и условиями обтекания их жид­ костью.

Аналогично работают насос двухкратного двустороннего дей­ ствия— насос с двумя рабочими камерами (рис. 11.2, б) и экс­ центриковый насос (рис. 11.2, в), причем последний чаще всего выполняется с несколькими цилиндрами.

Характерная особенность конструкции приведенного эксцен­ трикового насоса — отсутствие жесткой связи плунжера 5 с эксцентриковым механизмом 6. Насос может подавать жид­ кость только при достаточном давлении р\ во всасывающем па­ трубке. При этом плунжер 5 -входит в контакт с толкателем 7, и они работают как единая деталь в цилиндре 1. Всасывающий 4 и нагнетательный 3 клапаны работают так же,, как в выше­ рассмотренных насосах. Если давление р\ недостаточно для прижатия плунжера к толкателю, то контакт между ними те­ ряется — плунжер прекращает движение, и насос работает вхо­ лостую. Дренажное отверстие 8 предназначено для разгрузки полости между плунжером и толкателем. Таков принцип дей­ ствия насосов, например, на станциях СНТ32 очистных ком­ плексов [7, 12].

Для .увеличения рабочего объема насосов нередко исполь­ зуется принцип многократности действия. Например, з насосе пятикратного действия (рис. 11.2, г) при тех же размерах ци­ линдра рабочий объем возрастает в 5 раз. В этом случае ци­ линдр 10 вращается относительно пустотелой оси /2, а головка поршня 9 обкатывается по пятипрофильной обойме 11. Прохо­ дя каждый профиль, поршень производит один раз всасывание и один раз нагнетание жидкости в соответствующие секции пу­ стотелой оси 12. Секции разделены и сообщаются соответствен­ но со всасывающей и нагнетательной гидролиниями (на рисун­ ке не показаны).

плунжеры используются для получения высокого давления, причем, они могут быть как сплошными (см. рис. 11.2,г), так и.пустотелыми (см. рис. 11.2, а, в) .

но По числу цилиндров поршневые насосы разделяются на одно- и многоцилиндровые, по их расположению — на насосы о1параллельным расположением осей цилиндров в одной плос­ кости (насосы с кривошипно-шатунным механизмом и эксцен­ триковые), звездообразным или V-образным (радиальные насОсы), а также с расположением осей цилиндров параллельно их оси вращения (аксиальные насосы).

По конструкции распределителя различают поршневые на­ сосы с к л а п а н н ы м распределением (см. рис. 11.2, а—в) и

кратного действия (см. рис. 11.2, а) определяется изменением объема рабочей камеры, вызванным перемещением поршня за один оборот кривошипа:

где D — диаметр'поршня; S = 2r — ход поршня; г — радиус кри­ вошипа.

Рабочий объем многоцилиндрового насоса многократного действия (с одинаковыми цилиндрами)

Поршневые одноцилиндровые насосы в гидроприводе горных машин используются редко. Широкое распространение получи­ ли трехцилиндровые эксцентриковые насосы высокого давле­ ния. В частности, в унифицированной насосной станции СНУ-9 гидромеханизированных крепей очистных комплексов использу­

ствие жесткой связи между шатуном эксцентрикового механиз­ ма и плунжером ( с м рис. 11.2, в) . Насос нормально работает только при избыточном давлении во всасывающем патрубке не менее 0,3 МПа, при этом плунжер прижимается к толкателю шатуна и составляет с ним как бы единую деталь. При мень­ шем давлении усилие для прижатия плунжера к штоку стано­ вится недостаточным, плунжер останавливается, и насос рабо­ тает вхолостую (при нулевой подаче).

за цикл (один оборот вала). Действительная мгновенная по­ дача Q пропорциональна скорости поршня с. Для одноцилинд­

а б в

Рис. 11.3. Графики подачи поршневых насосов

рового насоса однократного действия мгновенная теоретическая подача

скорости поршня. Для одноцилиндрового насоса однократного действия график подачи — это полусинусоиды, смещенные отно­ сительно друг друга на угол л (рис. 11.3, а), для двухцилиндро­ вого насоса однократного действия или насоса двустороннего действия при малой толщине штока — это непрерывные полусинусоиды (рис. 11.3,6), для трехцилиндрового насоса одно­ стороннего действия при равномерном смещении кривошипов — 'Уто полусинусоиды со сдвигом относительно друг друга на угол

новится довольно равномерной.

Неравномерность подачи вызывает гидравлические удары, гласные вибрации и неравномерность движения исполнитель­ ных органов машин. Поэтому стремятся выровнять график по­ дачи, приблизив его к прямой Qcp— стороне прямоугольника

равновеликого по площади фигуре под полусинусойдами. Рас­ четным путем, без учета утечек, Qcp можно определить по фор­ муле (11.2). Часть площади, заключенная между прямой QCp и полусинусоидной, определяет неравномерность (пульсацию) подачи насоса, которая оценивается коэффициентом неравно­ мерности

где Qmax и Qmin —соответственно максимальное и минимальное значения мгновенной подачи.

Для одноцилиндрового насоса однократного действия Q m a x = =>n*D*nHr/2 и Q,„in= 0 [см. (11.15)], a QCP= QH.T= (я£>2/4) -2гпИ [см. (11.2)]. Подставляя эти значения в уравнение (11.16), по­

Анализируя эти данные, можно сделать следующие выводы. Для выравнивания подачи целесообразно применять многоци­ линдровые насосы с нечетным числом цилиндров, в которых моменты начала выдачи жидкости из камер смещены во вре­ мени, что достигается поворотом кривошипов на угол 2n/z. При

локализовывались в самом насосе, воздушный колпак устанав­ ливают сразу за нагнетательными клапанами. В водяных порш­ невых насосах (z< .3) для улучшения условий всасывания воз­ душные колпаки устанавливаются иногда на всасывающих (длинных) трубопроводах, но и в этих случаях они должны находиться на минимальном расстоянии от источника возмуще­ ния, т. е. располагаться как можно ближе к всасывающим клапанам.

В практике гидропривода колпаки (гидроаккумуляторы, за­ полненные сжатым азотом) устанавливают в нагнетательной линии Насосных станций (СНУ-5, СНУ-9, СНТ32) механизиро­ ванных крепей, где расход рабочей жидкости резко меняется.

11.4.Роторные насосы

Кроторным насосам относятся насосы, в которых вытеснители при работе совершают сложное пространственное движение, но определяющим движением при этом является вращательное.

Наиболее часто применяемые в гидроприводе роторные насосы: радиально- и аксиально-поршневые; пластинчатые; шестерен­ ные; винтовые. Принцип действия и основные технические по­ казатели всех этих насосов такие же, как и для рассмотренных поршневых. Однако, имеются некоторые отличия, свойственные только этой группе машин:

высокая допустимая частота вращения вала, обусловленная

повышает надежность машины, так как поломки клапанов яв­ ляются причиной частых отказов;

возможность регулирования подачи путем изменения рабо­ чего объема (для многих машин).

Приведенные особенности, по существу, являются преиму­ ществами роторных насосов. Однако, они имеют недостатки, наиболее существенные из которых: возможность запирания жидкости в переменном объеме (при бесклапанном распреде­ лении); большие утечки жидкости, что ведет к снижению объ­ емного, а следовательно, и полного КПД; более сложная кон­ струкция.

11.4.1. Радиально-поршневые насосы

Регулируемый радиально-поршневой насос (рис. 11.4) состоит из ротора 2 с цилиндрами, плунжеров /, обоймы 4, распреде­ лительного устройства 3 с подводящим и отводящим канала­ ми 5 и б, а также устройства, с помощью которого обойма 4

ет пустотелая ось 7 с уплотнительной перемычкой. На этой оси закреплен ротор. При вращении ротора цилиндры своими ка­ налами поочередно соединяются с каналами всасывания 5 и нагнетания 6, расположенными в пустотелой оси. При переходе •цилиндров через нейтральное положение их каналы перекры­ ваются уплотнительной перемычкой, и линия всасывания отде­ ляется от напорной линии.

Перемычка должна иметь оптимальную толщину, исклю­ чающую изменение запертого объема жидкости в цилиндре при вращении ротора (толщина, превышающая оптимальную), что приводит к вышерассмотренным негативным явлениям, или возможность перетечки жидкости из области нагнетания в об­ ласть всасывания (слишком малая толщина).

е

h —■

Рис. 11.4. Радиальночлоршневой насос

Во избежание расклинивания плунжеров в цилиндрах не­ обходимо, чтобы их максимальный ход не превышал 0,1 радиу­ са ротора. Часто насос выполняют с двумя или тремя рядами плунжеров для увеличения его рабочего объема.

При работе насоса головки плунжеров прижимаются к внут­ ренней поверхности обоймы центробежными силами или, чаще, давлением жидкости, подаваемой в цилиндр подпиточным на­ сосом. Если эксцентриситет e=/=0t то плунжеры, обкатываясь по обойме и совершая при этом возвратно-поступательное движе­ ние в цилиндрах, производят всасывание жидкости (движение от центра вращения) или нагнетание (движение — к центру). Если эксцентриситет е = 0, то радиальное перемещение плунже­ ров отсутствует, и насос не подает жидкость.

пускаются серийно для гидроприводов машин, применяющихся в разных отраслях промышленности. Их основные технические показатели: ^H=125-f-500 см3, Q„= 100-^400 л/мин, ра — 10 и 20 МПа, я„ = 960 мин-1, УУ„.В= 45-М92 кВт [10].

В гидроприводах механизмов подачи угольных комбайнов до последнего времени широко использовались специальные ре­ гулируемые радиально-поршневые насосы 1НП120 и НП200 с максимальной подачей соответственно 120 и 200 л/мин и дав­ лением 10 и 11,5 МПа [12].

11.4.2. Аксиально-поршневые насосы

Аксиально-поршневые насосы, выпускаемые с наклонным дис­ ком (рис. 11.5, а) или наклонным ротором (рис. 11.5, б), со­ стоят из ротора 1 с цилиндрами, плунжеров 2, распределитель-

ного устройства 3, приводного вала 4 и устройства для изменения угла а наклона диска или ротора. Во избежание закли­ нивания плунжеров в цилиндрах максимальное значение угла

остах должно быть равным 20—30° Если а¥=0, то при вращении ротЬра / плунжеры 2, шарнир­

но связанные шатунами 5 с наклонным диском 6 или с веду­ щим диском 9, совершают возвратно-поступательное движение в цилиндрах. Удаляясь от распределительного устройства 3, плунжеры всасывают жидкость, а приближаясь к нему,— на­ гнетают. Подвод жидкости к цилиндрам и отвод от них осуще­ ствляются через отверстия в торце ротора, которые поперемен­ но соединяются с распределительными полукольцевыми окнами 7 и 3, имеющимися в распределителе 3. Когда плунжеры до­ ходят до крайних точек, отверстия цилиндров располагаются напротив перемычек между окнами 7 и 8 — линия всасывания отделяется от линии нагнетания. Так же как в радиально­ поршневых насосах, запертый распределительной перемычкой объем жидкости в цилиндре при вращении ротора может не­ сколько изменяться, вызывая негативные явления. Поэтому в некоторых конструкциях в перемычках между окнами 7 и 8 делают небольшие канавки — мысики (см. рис. 11.5, а), что, однако, увеличивает утечки в насосе и снижает его КПД.

Рабочий объем насоса

Аксиально-поршневые насосы более компактны, чем ради­ ально-поршневые, и имеют больший КПД, однако они чувстви­ тельнее к вибрациям. Промышленностью серийно выпускаются регулируемые и нерегулируемые аксиально-поршневые насосы нескольких модификаций с диапазонами: рабочих объемов,—