Теоретические сведения. В насосных гидроприводах в качестве источника энергии жидкости под давлением, как правило, применяются роторные насосы: роторно-поршневые

 

В насосных гидроприводах в качестве источника энергии жидкости под давлением, как правило, применяются роторные насосы: роторно-поршневые, пластинчатые, шестеренные (рисунок 10.1), винтовые.

Роторные насосы – объемные гидромашины, предназначенные для преобразования механической энергии двигателя в энергию дви-жущейся жидкости за счет изменения объема рабочих камер при вращательном или вращательно-поступательном движении вытесни-телей (рабочих органов). Отличительным свойством роторных насосов является обратимость, позволяющая использовать их в качестве гидромоторов. В гидромоторах механическая энергия потока жидкости преобразуется в механическую энергию неограниченного вращатель-ного движения выходного звена (вала).

 

 

а – пластинчатый; б – шестеренный

1, 3 – рабочие камеры; 2 – точка контакта; 4 – ротор; 5 – пластина;

6 – статор (корпус); 7 – паз; 8 – пружина; 9 – область всасывания;
10 – область нагнетания; 11 – ведущая шестерня; 12, 15 – впадины (рабочие камеры); 13 – ведомая шестерня; 14 – корпус; 16 – зуб

 

Рисунок 10.1 – Схемы роторных насосов

 

Шестеренный насос – это зубчатый насос с рабочими органами в виде шестерен, обеспечивающих герметическое замыкание рабочих камер и передачу вращающего момента с ведущего вала на ведомый. Шестеренные насосы могут быть с внешним и внутренним зацеплением.

Наиболее простым по конструкции и самым распространенным является шестеренный насос с внешним зацеплением (рисунок 10.1 б). Он состоит из корпуса 14и двух эвольвентных зубчатых колес (шестерен) 11и 13, находящихся в зацеплении. В представленной конструкции ведущей является шестерня 11, аведомой – 13.

При выходе зубьев из зацепления во всасывающей полости рабочий объем увеличивается и жидкость заполняет впадины между зубьями (в том числе затемненную впадину 12). Затем впадины с жидкостью перемещаются по дугам окружности от полости всасывания в полость нагнетания (показано штрихпунктирной линией). В полости нагнетания зубья входят в зацепление, рабочий объем уменьшается и жидкость вытесняется в полость нагнетания. Следует иметь в виду, что впадины несколько больше зубьев, поэтому часть жидкости возвращается обратно в полость всасывания.

Таким образом, рабочей камерой шестеренного насоса является впадина между зубьями, точнее, та часть ее объема, которую занимает зуб при вытеснении жидкости. Для приближенного определения рабочего объема насоса V ₀ принимают объемы зубьев и впадин равными. Тогда можно считать, что рабочий объем насоса равен суммарному объему всех впадин и зубьев одной шестерни и может быть определен по формуле

или

, (10.1)

где D – диаметр начальной окружности шестерни, м;

b – ширина шестерни, м;

h – высота зубьев (глубина впадин), м;

m –модуль числа зубьев;

z –число зубьев.

Шестеренные насосы с внешним зацеплением получили широкое распространение в машиностроении, так как они просты в изготовлении и надежны в эксплуатации. Эти насосы выпускаются для гидросистем как с высокими давлениями (до 15-20 МПа), так и с более низкими (1-10 МПа). Первые находят применение в гидросистемах тракторов, дорожно-строительных и сельскохозяйственных машин, а вторые используются в станочных гидроприводах и гидросистемах поршневых двигателей. Частоты вращения большинства шестеренных насосов с внешним зацеплением находятся в диапазоне от 1000 до 2500 об/мин. Полные КПД этих насосов обычно составляют от 0, 75 до 0, 85, а объемные КПД – от 0, 85 до 0, 95.

Кроме шестеренных насосов с внешним зацеплением, бывают также шестеренные насосы с внутренним зацеплением, когда шестерня меньших размеров располагается внутри более крупного зубчатого колеса. Такие насосы компактнее, но из-за более сложной конструкции по сравнению с насосами с внешним зацеплением они не нашли широкого применения.

Пластинчатый насос – это роторно-поступательный насос с рабочими органами (вытеснителями) в виде плоских пластин. Пластинчатые насосы могут быть однократного, двукратного или многократного действия. На рисунке 10.1 а приведена конструктивная схема пластинчатого насоса однократного действия. В пазах вращающегося ротора 4, ось которого смещена относительно оси неподвижного статора 6на величину эксцентриситета е, установлены несколько пластин 5 с пружинами 8(или без них). Вращаясь вместе с ротором, эти пластины одновременно совершают возвратно-поступательное движение в пазах 7 ротора. Рабочими камерами являются объемы 1и 3, ограниченные соседними пластинами, а также поверхностями ротора 4и статора 6.

При вращении ротора рабочая камера 1, соединенная с полостью всасывания, увеличивается в объеме, и происходит ее заполнение. Затем рабочая камера переносится в зону нагнетания. При дальнейшем перемещении ее объем уменьшается, и происходит вытеснение жидкости (из рабочей камеры 3).

Для расчета рабочего объема пластинчатого насоса V ₀может быть использована формула (10.1), при этом объем рабочей камеры V_К следует определять в ее крайнем левом положении, т. е. когда она изолирована от полостей всасывания и нагнетания. В этом случае

(10.2)

где h – высота рабочей камеры (h = 2е), м;

l – средняя длина части окружности, ограниченной двумя пластинами, м;

b – ширина пластины, м.

Длина l может быть приближенно определена по диаметру ротора D с учетом толщины пластины и числа пластин z, т. е.

.

Тогда с учетом формул (10.1) и (10.2) получим приближенную зависимость для вычисления рабочего объема пластинчатого насоса:

. (10.3)

Из анализа последней формулы следует, что для увеличения рабочего объема пластинчатого насоса V ₀при сохранении его габаритов, т.е. размеров D и b, необходимо увеличивать эксцентриситет е.

 

1 – область нагнетания; 2 – область всасывания

 

Рисунок 10.2 – Схема пластинчатого насоса двукратного действия

 

Кроме того, рабочий объем пластинчатого насоса может быть увеличен за счет кратности его работы k, что достаточно широко применяется на практике. На рисунке 10.2 приведена конструктивная схема пластинчатого насоса двукратного действия. Внутренняя поверхность такого насоса имеет специальный профиль, что позволяет каждой пластине за один оборот вала дважды производить подачу жидкости. У пластинчатого насоса двукратного действия имеются две области всасывания 2, которые объединены одним трубопроводом, и две области нагнетания 1, также объединенные общим трубопроводом. На практике применяются насосы и с большей кратностью, но их конструкции сложнее, поэтому использование таких насосов ограничено.

Пластинчатые насосы могут быть регулируемыми, т. е. иметь переменный рабочий объем. Конструкция пластинчатого насоса однократного действия позволяет изменять его рабочий объем в процессе работы. Для этого достаточно сделать вал ротора подвижным относительно корпуса. Тогда при смещении ротора 4влево можно не только уменьшить величину е, а следовательно, подачу насоса, но и изменить направление потока жидкости (при е < 0), не меняя направления вращения вала. Для иллюстрации этого на рисунке 10.3 показаны три характерных положения ротора регулируемого пластинчатого насоса.

Рисунок 10.3 – Схема регулирования прямой (а), нулевой (б)

и обратной (в)подач пластинчатого насоса

 

Следует отметить, что пластинчатые насосы двукратного и многократного действия не могут быть регулируемыми.

Пластинчатые насосы компактны, просты в производстве и надежны в эксплуатации. Поэтому они нашли применение в технике, в первую очередь в станкостроении. Максимальные давления, создаваемые ими, составляют от 7 до 14 МПа. Частоты вращения пластинчатых насосов обычно находятся в диапазоне от 1000 до 1500 об/мин. Полные КПД для большинства составляют от 0, 60 до 0, 85, а объемные КПД – от 0, 70 до 0, 92. Выпускаются также регулируемые пластинчатые насосы.

10.3.1 Параметры работы объемных насосов

Работа объемных насосов характеризуется следующими параметрами: действительная подача Q, куб.м/с; давление р, Па; полезная мощность N_п, Вт; потребляемая мощность N, Вт; КПД. h, %.

10.3.1.1 Действительная подача – объем жидкости, поступающей в единицу времени из насоса в напорный (нагнетательный) трубопровод:

(10.4)

где h _о – объемный КПД;

Q_и – идеальная подача, м³/с;

q_у – расход утечек, м³/с;

q_c – расход сжатия, м³/с.

Идеальной подачей называется подача несжимаемой жидкости в единицу времени без учета утечек через зазоры.

где V ₀ – рабочий объем насоса, м³;

n – частота вращения вала (ротора) насоса, с^–1;

V_к – идеальная подачаиз каждой рабочей камеры за один оборот вала (ротора), м³;

z – число рабочих камер в насосе;

k – кратность действия насоса, т.е. число подач из каждой камеры за один оборот вала (ротора).

10.3.1.2 Давление насоса – разность между абсолютным давлением р ₂ на выходе из насоса и абсолютным давлением р ₁ на входе в насос:

(10.5)

Величина называется напором насоса.

10.3.1.3 Полезная мощность – приращение полной механической энергии всей жидкости, проходящей через насос в единицу времени:

(10.6)

где g – удельный вес жидкости, Н/м³;

G – весовая подача, Н/с.

10.3.1.4 Мощность, потребляемая насосом, – мощность, затрачиваемая приводящим двигателем

(10.7)

где М_н – момент на валу насоса, Н× м;

w _н – угловая скорость вращения вала насоса, рад/с.

10.3.1.5 КПД насоса – величина, равная отношению полезной мощности к потребляемой:

(10.8)

где D N – потери мощности в насосе.

Потери мощности складываются из механических потерь, объемных и гидравлических потерь. Механические потери – потери мощности на трение в механизме насоса. Объемные потери – потери мощности с утечками жидкости через зазоры. Гидравлические потери связаны с потерями давления (потенциальной энергии давления жидкости) при движении жидкости через насос. Поэтому различают КПД механический h _М, объемный h _о и гидравлический h _г. Полный (общий) КПД равен:

.

10.3.2 Характеристика и способы регулирования объемных насосов

Объемные насосы работают в гидросистемах, включающих помимо самого насоса ряд дополнительных устройств, обеспечиваю-щих его работу с необходимыми параметрами и характеристикой. Характеристикой насоса называют графическую зависимость давления на выходе насоса от его подачи, полученную при постоянной частоте вращения его вала.

Для построения характеристики насоса (рисунок 10.4 а)прежде всего необходимо найти его теоретическую (идеальную) подачу. Такая подача насоса существует при нулевом давлении на выходе насоса (точка А), отсюдаследует, что теоретическая подача не зависит от давления насоса, поэтому характеристика идеального объемного насоса представляет собой прямую вертикальную линию I.

Действительная подача насоса меньше теоретической на величину объемных потерь, которые вызваны утечками жидкости через зазоры из полостей с высокими давлениями. Такие утечки существуют в любом самом технически совершенном насосе. Так как зазоры имеют, как правило, малые поперечные размеры, то режим течения в них ламинарный, т. е. величина расхода утечек пропорциональна перепаду давления в первой степени (q_ут ~ р). Поэтому действительная характеристика насоса представляет собой прямую линию III с наклоном в сторону снижения подачи. Утечки q_ут растут пропорционально давлению р (), а подача насоса с ростом давления уменьшается .

Действительная характеристика насоса (линия III) может быть построена при известном объемном КПД η _o. Например, известно значение η _o насоса при давлении р = р*. Тогда с использованием формулы (10.4) следует вычислить подачу насоса, соответствующую этому давлению, и на график нанести точку с координатами Q* и р* (точка В). Соединив точки А и В прямой линией III, получим действительную характеристику объемного насоса.

При такой характеристике (линия III) подача насоса незначительно зависит от давления. Однако в ряде гидросистем требуется переменная подача. Для этого линию III «переламывают» в какой-то точке С, получая новую линию II. На участке CD можно существенно изменять подачу при небольшом изменении давления. Линию II иногда называют регуляторной ветвью характеристики. Характеристика ACD может быть получена с помощью дополнительных устройств и поэтому является характеристикой не насоса, а насосной установки. На практике она обеспечивается двумя способами: с помощью переливного клапана или с помощью регулятора подачи.

На рисунок 10.4 б представлена схема насосной установки, включающей насос 4и переливной клапан 2, основным элементом которого является подпружиненный плунжер 3. При небольших давлениях на выходе насоса р плунжер 3под действием пружины занимает крайнее верхнее положение и перекрывает регулирующую щель 7, поэтому вся жидкость от насоса идет в гидросистему .

Этому режиму работы соответствует линия АС нарисунке 10.4 а.

При некотором давлении р_р, которое называют давлением настройки клапана, клапан 2начнет открываться (точка С на рисунке 10.4 а), т. е. часть подаваемой насосом жидкости будет направляться через щель 7 клапана 2в бак, а подача насосной установки уменьшится на величину расхода через клапан Q_кл: (точка Е нарисунке 10.4 а). При увеличении давления щель 1и расход через клапан Q_кл будут увеличиваться, а подача Q_ну насосной установки – уменьшаться. Наконец, при давлении р = р _mахплунжер 3полностью сместится вниз, и вся подаваемая насосом жидкость будет перепускаться в бак через щель 1 (Q_кл = Q_ну), a подача насосной установки станет равной нулю (Q_ну = 0, точка D на рисунке 10.4 а).

Рассмотренный способ регулирования подачи используется в технике.

Совокупность вполне определенных значений давления, подачи, КПД и потребляемой мощности, характеризующих условие работы данного насоса в данной гидросистеме, называется режимом работы насоса. Для определения режима работы насоса в данной гидросистеме следует на одном и том же графике в одном и том же масштабе построить характеристику насоса и характеристику сети (рисунок 10.5).

Характеристикой сети называется зависимость потерь давления жидкости при ее движении по трубопроводам сети от расхода жидкости в ней. При этом исполнительный механизм (гидродвигатель) следует рассматривать как полезное местное сопротивление, потеря давления Δ р_д в котором определяется величиной внешней нагрузки (силы, момента).

Точка пересечения линий ( Δ р + Δ р_д) = f(Q) и р_н = f(Q)

(точка А) называется рабочей точкой. Рабочая точка однозначно определяет параметры насоса, характеризующие условия работы его в данной гидросети, т.е. режим работы насоса.

Регулирование подачи роторных насосов осуществляется тремя способами:

– изменением частоты вращения ротора, вала насоса;

– установкой (при неизменной частоте вращения вала) перелив-ного клапана (перепуск);

– изменением (при неизменной частоте вращения вала) рабочего объема насоса.

Второй способ регулирования подачи неэкономичен, т.к. часть энергии, сообщаемой насосом жидкости, теряется при движении некоторой ее части через клапан. Однако ввиду простоты и удобства этот способ широко применяется для регулирования подачи шестеренных, винтовых и других насосов с неизменным рабочим объемом.

Наиболее экономичными являются первый и третий способы.

Изменение рабочего объема возможно в пластинчатых, роторно-поршневых и других роторно-поступательных насосах. Например, в пластинчатых насосах (см. рисунок 10.3) изменение рабочего объема осуществляется изменением величины эксцентриситета е. При этом изменение знака эксцентриситета (перемещение ротора из одного крайнего положения в другое) обеспечивает реверс подачи, т.е. изменение направления движения жидкости через насос. В нейтральном положении ротора, когда e=0, подача насоса отсутствует, так как количество жидкости, переносимой из входной камеры одной парой пластин в камеру нагнетания, равно количеству жидкости, переносимому из камеры нагнетания во входную камеру другой парой пластин, диаметрально противоположной первой.

Для регулирования подачи изменением частоты вращения вала (ротора) насоса обычно используются двигатели постоянного тока с переменной частотой вращения вала, а также электродвигатели переменного тока с постоянной частотой вращения вала, снабженные гидромуфтой, соединяющей вал двигателя с валом насоса. Гидромуфта представляет собой гидродинамическую передачу, позволяющую бесступенчато плавно менять передаточное число, частоту вращения вала насоса.