2.3. Поршневые эксцентриковые насосы
Поршневые кривошипные насосы применяют в основном для получения высоких рабочих давлений жидкости, так как клапанное распределение обеспечивает малые объемные потери. В то же время насосы с клапанным распределением не могут быть использованы в качестве быстроходных машин. Частота вращения приводного вала поршневого кривошипного насоса не превышает 500…700 об/мин.
Ввиду того, что клапаны ограничивают частоту вращения, в авиационном гидроприводе используют поршневые насосы с комбинированным (клапанно-поршневым) распределением, у которых клапаны установлены лишь в напорных линиях, всасывание же осуществляется через специальные окна (щели) в стенках цилиндров. Привод поршней у этих насосов обеспечивается эксцентриковым механизмом.
Схема поршневого эксцентрикового насоса с клапанно-щелевым распределением показана на рис. 2.3.
Рис. 2.3. Схема поршневого эксцентрикового насоса
с клапанно-щелевым распределением
Всасывание
происходит через канал 1
после того, как поршень 3
открывает круговую проточку 2
в цилиндре, связанную с этим каналом.
Величина эксцентриситета
приводного кулачка 4
определяет геометрический ход поршня
(
),
однако рабочим ходом является лишь
часть этого хода. Вытеснение жидкости
происходит после того, как поршень,
утапливаясь в цилиндр, перекроет круговую
проточку 2.
Из рис. 1 видно, что рабочий ход поршней
составляет
,
где
– ход всасывания, в течение которого
цилиндр сообщен с линией, ведущей в
резервный бак системы.
Ход
всасывания выбирают в зависимости от
частоты вращения:
.
Идеальную подачу насоса в единицу времени определяют по формуле
,
где
– эффективная площадь поршня;
–
количество поршней.
Клапанно-щелевое распределение обеспечивает высокую герметичность и по сравнению с другими видами распределения менее чувствительно к загрязнению рабочей жидкости. Поскольку рабочий ход при таком типе распределения составляет лишь часть полного (геометрического) хода, неравномерность подачи будет выше, чем у насосов, у которых геометрический ход является и рабочим ходом. Из-за неполного использования геометрического хода поршня для подачи жидкости увеличиваются габариты и масса насоса.
Поршневые эксцентриковые насосы в авиационном гидроприводе используют главным образом в качестве источников давления в электроприводных насосных станциях.
2.4. Поршневые насосы с кинетором
Насос с приводом поршней от кинетора, схема которого показана на рис. 1, имеет неподвижный блок цилиндров 2, свободноопертые поршни 3 и снабжен комбинированной системой распределения потоков жидкости. Клапаны установлены только в напорной линии. Заполнение цилиндров жидкостью происходит не через клапаны, а через кольцевые щели, гидравлическое сопротивление которых во много раз меньше сопротивления клапанов. Этот насос может работать на вязких жидкостях в тяжелых условиях всасывания.
Насос работает следующим образом. Масло из бака через картер насоса поступает ко всасывающим окнам А цилиндров 2. Возвратно-поступательное движение поршней 3 происходит под действием кинетора 5. Прижим поршней к поверхности кинетора обеспечивается пружиной 4. Поршни снабжены гидростатическими опорами 6. Каждый поршень является одновременно золотником, управляющим соединением цилиндра с питающей полостью картера насоса. Когда поршень при закрытом клапане 1 выдвигается из цилиндра, в рабочей камере создается разрежение.
Рис. 1. Схема поршневого насоса с кинетором:
1 – клапан; 2 – блок цилиндров; 3 – поршень; 4 – пружина; 5 – кинетор; 6 – гидростатическая опора; 7 – отсечная втулка; 8 – золотник регулятора; 9 – пружина регулятора; 10 – винт
При вращении приводного вала поршни, движущиеся в сторону клапанов, вытесняют жидкость, а движущиеся в сторону кинетора – всасывают ее. Жидкость в напорную магистраль поступает через самодействующий клапан 1 после перекрытия перепускных окон В в теле поршня отсечными втулками 7.
Подача у клапанно-щелевого насоса определяется не полным ходом поршня, а лишь той его частью, которую он проходит после перекрытия отсечных окон.
Полный ход, ход всасывания и рабочий ход поршня рассчитывают по формулам:
;
;
,
где
– диаметр делительной окружности;
– угол среза кинетара;
– угол поворота, при котором закрываются
отсечные окна в теле поршня.
Расчетную подачу насоса с клапанно-щелевым распределением определяют по формуле
,
где
– диаметр поршня;
– количество поршней.
Подача насоса регулируется автоматически за счет изменения величины рабочего хода. Параметром, на который реагирует регулятор подачи, является давление на выходе из насоса.
Золотник 8 (рис. 2.4) регулятора, связанный с отсечными втулками 7, находится в равновесии под действием силы затяжки пружины 9 и давления на выходе из насоса. Когда давление на выходе из насоса превысит заданное значение, пружина 9 сжимается, в результате чего отсечные втулки 7 смещаются влево. При этом рабочий ход поршней и подача насоса уменьшаются. В режиме нулевой подачи, которой соответствует номинальное давление на выходе из насоса, втулки 7 занимают положение, при котором отверстия в поршнях 3 открыты на всем протяжении хода (за исключением той части хода, которая компенсирует утечку жидкости).
Изменяя затяжку пружины 9 винтом 10, можно задать то или иное давление нагнетания. Крутизна падения подачи в функции давления на выходе из насоса зависит от жесткости пружины 9 регулятора. Для обеспечения приемлемой характеристики регулятора подачи прямого действия необходимо применять пружины малой жесткости.
При
оценке неравномерности мгновенной
подачи жидкости насосом с клапанно-щелевым
распределением потоков положение
приводного вала насоса определяют углом
поворота
.
За начало отсчета принимают положение,
при котором начинается всасывания у
поршня 1
(рис. 2.5).
Скорость поршня приближенно определяют по уравнению
где
– угловая скорость;
– радиус блока цилиндров, на котором
расположены поршни;
– угол кинетора.
Суммарная мгновенная подача поршней, находящихся в такте нагнетания:
,
(2.1)
где – количество поршней в такте нагнетания.
Рис.
2.5. График мгновенной подачи насоса с
клапанно-щелевым распределением
(количество поршней
9)
Произведение постоянных величин в приведенной выше формуле представляет собой модуль мгновенной подачи:
=
1,0.
Тогда
.
При
количестве поршней
фазы мгновенных подач соседних поршней
повторяются через
.
График мгновенной подачи насоса с клапанно-щелевым распределением показан на рис. 2.5. У насосов этого типа 1/3 рабочего хода длится фаза всасывания и кинематическая неравномерность подачи значительно выше, чем у насосом, рабочий ход которых равен геометрическому.
Частота
колебаний мгновенной подачи у насоса
с клапанно-щелевым распределением
совпадает с плунжерной частотой
.
Жидкость у этого насоса подается
одновременно только тремя
поршнями. Например, в диапазоне углов
поворота приводного вала от 240 до 280º
жидкость нагнетают поршни 1,
9
и 8
(рис. 2.5),
затем при углах поворота от 280 до 320º
в работу вступают поршни 2,
1,
8
и т. д. Таким образом, характерная
особенность насосов с клапанно-щелевым
распределением состоит в повышенной
кинематической неравномерности подачи.
Пример.
Определить неравномерность подачи
насоса с клапанно-щелевым распределением,
если количество поршней
9,
угол всасывания
60°.
Для такого насоса абсолютное значение неравномерности подачи (см. рис. 2.5) будет равна
.
Средняя подача насоса по углу поворота приводного вала
.
Неравномерность подачи
.
Методические указания
Изучение конструкций объемных насосов гидромашин необходимо начинать с рассмотрения трех наиболее распространенных типов поршневых насосов: поршневых кривошипных насосов, эксцентриковых насосов и насосов с приводом поршней от кинетора. Широкое применение этих насосов в общем машиностроении и авиационной технике связано с простотой конструкции. У всех поршневых насосов цилиндры неподвижны, а жидкость из них вытесняется поршнями, совершающими возвратно-поступательное движение. Поршневые насосы имеют плоскую кинематику, в основу которой положена кинематика кривошипно-шатунного механизма. Распределение потоков – клапанное или клапанно-щелевое.
На примере поршневых насосов необходимо ознакомиться с построением индикаторной диаграммы и научиться определять по ней качество рабочего процесса гидромашины.
Принципиальное значение в теории объемных машин имеет вопрос о пульсации мгновенной подачи насосов. Следует уяснить, от каких факторов зависит пульсация и как рассчитать пульсацию подачи насосов.
Литература: [2, c. 52–70, 165–169, 260–266]; [4, c. 320–360].