2. Поршневые насосы

2.1. Индикаторная диаграмма

Рабочий цикл поршневого насоса характеризуется индикаторной диаграммой, которая фиксирует изменение давления в рабочей камере насоса за один оборот коленчатого вала.

В идеальном случае индикаторная диаграмма поршневого насоса представляет собой прямоугольник (рис. 2.1, а), в котором линией 1–2 изображен процесс всасывания, 3–4 – нагнетания, АА – атмосферное давление. Давление в рабочей камере в цикле всасывания на рис. 2.1 изображено а в цикле нагнетания – Через обозначено атмосферное давление (давление в баке).

Рис. 2.1. Идеальная (а) и действительная (б) индикаторная

диаграммы поршневого насоса

При всасывающем ходе поршня в цилиндре создается разрежение ( < ), вследствие чего жидкость в него засасывается. В ходе нагнетания насос создает давление, которое зависит от сопротивления напорной линии, включая сопротивление канала. При отсутствии утечек и практически несжимаемой жидкости линии повышения и снижения давления 2–3 и 4–1 располагаются вертикально.

Действительная индикаторная диаграмма (рис. 2.1, б) отличается от идеальной наличием волнообразных участков и наклонов линии 2–3 и 4–1. Наклон этих линий вызван тем, что процессы повышения и понижения давления в цилиндре из-за сжимаемости рабочей жидкости происходят не мгновенно, а на некотором конечном перемещении поршня. Колебания давления в начале хода всасывания 1 и в начале хода нагнетания 3 вызваны запаздыванием в открытии клапанов и инерционностью жидкости в переходных процессах.

Площадь индикаторной диаграммы 1–2–3–4 выражает работу, сообщаемую жидкости поршнем за один оборот вала. Поделив площадь индикаторной диаграммы на ход поршня ( ), получают среднее индикаторное давление определяемое выражением

В соответствии с этим индикаторную мощность, передаваемую жидкости от приводного вала через поршень, определяют выражением

где индикаторное давление; площадь поршня; ход поршня; частота вращения вала.

Кроме определения мощности, индикаторная диаграмма позволяет выполнять диагностику технического состояния насосов. В частности, по индикаторной диаграмме определяют влияние воздуха, утечек рабочей жидкости и исправность работы распределительных механизмов. Индикаторная диаграмма является основным средством анализа при разработке и испытании насосов и записывается с помощью датчиков давления, присоединенных к полости цилиндра.

2.2. Поршневые кривошипные насосы

Кинематика поршневого кривошипного насоса построена на базе кривошипно-шатунного механизма (см. рис. 1.1).

Вытеснение жидкости поршнем происходит только в течение полуоборота, поэтому основным недостатком всех поршневых насосов является прерывистость подачи.

Идеальная подача жидкости одним поршнем за один оборот кривошипа составляет

где

При частоте вращения идеальная подача однопоршневого насоса в единицу времени

Для уменьшения пульсации применяют многопоршневые конструкции. Среднюю идеальную подачу многопоршневого насоса в единицу времени с количеством поршней определяют по формуле

Мгновенная подача насоса пропорциональна мгновенной скорости поршня:

Для насоса с бесконечно длинным шатуном ( ) при перемещение поршня с радиусом кривошипа и углом его поворота связано зависимостью (см. рис. 1.1)

Откуда

Тогда

Для определения пульсации мгновенной подачи жидкости насоса, имеющего цилиндров, смещенных относительно друг друга на фазовый угол суммируют подачу поршней 1, 2, 3, 4 (рис. 2.2). Задачу решают графоаналитически при условии, что

Минимальная подача трехпоршневого насоса составляет

Максимальная подача трехпоршневого насоса

Минимальная подача четырехпоршневого насоса

Максимальная подача четырехпоршневого насоса

Рис. 2.2. Графики мгновенной подачи

трехпоршневого (а) и четырехпоршневого (б) насосов

Из рис. 2.2 следует, что пульсация подачи при четном числе поршней больше по сравнению с нечетным числом поршней. При этом четном числе поршней минимумы и максимумы подач соседних поршней совпадают, и это увеличивает пульсацию. Количество поршней в авиационных насосах обычно равно 9.

Неравномерность подачи жидкости насосом представляет собой отношение разности максимальной и минимальной подач к средней подаче:

Среднюю по углу поворота кривошипа подачу находят по уравнению

Сведения о пульсации подачи у многопоршневых насосов приведены в табл. 2.1.

Таблица 2.1

z	3	4	5	7	9
%	14	32	5	2,6	1,4

Частота пульсации подачи составляет при четном числе поршней и при нечетном

Пульсирующая подача жидкости в гидравлической системе крайне нежелательна, так как она вызывает колебания давления, приводящие к усталостным разрушениям, и неравномерное передвижение исполнительных механизмов.