§ 11. Роторно-поршневые насосы и гидромоторы

Роторно-поршневые насосы и гид­ромоторы широко применяют в гидро­приводах ряда экскаваторов как на навесных, так и на многих полнопово-

Рис. 36. Схемы аксиально-поршневого насоса:

а — действия поршня, б — работы насоса, в — конструктивная, г — действия неподвижного рас­пределительного диска; 1,5 — диски, 2 — вращающийся блок, 3 — поршень, 4 — шток, 6 — вал, 7 — окно, 8 — отверстие; а — длина полного сечения дугового окна

ротных машинах. Наибольшее распро­странение получили роторно-поршне-вые насосы двух типов: аксиально-поршневые и радиально-поршневые.

Аксиально-поршневые насосы и гидромоторы. Их кинематической основой служит кривошипно-шатун-ный механизм, в котором цилиндр перемещается параллельно своей оси, а поршень движется вместе с ци­линдром и одновременно вследствие вращения вала кривошипа перемеща­ется относительно цилиндра. При повороте вала кривошипа на угол ср (рис. 36, а) поршень перемещается вместе с цилиндром на расстояние а и относительно цилиндра на с. Поворот плоскости вращения тела кривошипа вокруг оси у (рис. 36, б) на угол р приводит также к перемещению точки А, в которой палец кривошипа шарнирно соединен со штоком поршня.

Если вместо одного взять несколь­ко цилиндров и расположить их по окружности блока или барабана,

а кривошип заменить диском, ось которого повернута относительно оси цилиндров на угол у, причем P + V = 90°, то плоскость вращения диска совпадет с плоскостью вращения вала кривошипа. Тогда будет получена принципиальная схема аксиально-поршневого насоса (рис. 36, в), у которого поршни перемещаются при наличии угла у между осью блока цилиндров и осью ведущего вала.

Насос состоит из распределитель­ного диска 1, вращающегося блока 2, поршней 3, штоков 4 и наклонного диска 5, шарнирно соединенного с центральным шипом. В диске 1 сделаны дуговые окна 7 (рис. 36, г), через которые жидкость засасывается и нагнетается поршнями. Между окнами предусмотрены пере­мычки шириной Ь, отделяющие по­лость всасывания от полости нагнета­ния. При вращении блока отверстия 8 цилиндров соединяются либо с поло­стью всасывания, либо с полостью

нагнетания. При изменении направле­ния вращения блока функции полостей меняются. Для уменьшения утечек жидкости торцовую поверхность блока тщательно притирают к диску 1. Диск 5 вращается от вала 6, а вместе с диском вращается блок цилиндров.

Угол у обычно принимают 12...15°, а иногда 30°. Если угол постоянный, то подача насоса постоянна. При измене­нии в процессе работы угла изменяется ход поршней 3 на один оборот ротора и соответственно изменяется подача насоса.

В автоматическом регулируемом аксиально-поршневом насосе (рис. 37) регулятором подачи является шайба 3, связанная с валом 5 и соеди­ненная с поршнем 2. На поршень с одной стороны действует пружина 1, а с другой — давление в напорной гидролинии. При вращении вала шайба перемещает плунжеры 4, которые засасывают рабочую жид­кость и нагнетают ее в гидролинию. Подача насоса зависит от наклона шайбы, т. е. от давления в напорной гидролинии, изменяющегося, в свою очередь, от внешнего сопротивления.

Рис. 37. Схема регулируемого аксиаль­но-поршневого насоса:

1 — пружина, 2 — поршень, 3 — шайба, 4 — плунжер, 5 — вал

Для насосов небольшой мощности подачу насоса можно также регулиро­вать вручную путем изменения накло­на шайбы, для более мощных насосов применяют специальное усилительное устройство.

Аксиально-поршневые гидромото­ры устроены так же, как и насосы. Различают аксиально-поршневые на-

Рис. 38. Аксиально-поршневой нерегулируемый насос-гидромотор с наклонным блоком:

/ — вал, 2 — шарнир, 3— блок цилиндров, 4— окно, 5 — крышка, 6 — диск, 7 — пружина, 8 — пор­шень, 9—шарикоподшипник, 10 — шток, // — уплотнение

Рис. 39. Аксиально-поршневой унифицированный насос-гидромотор:

а — унифицированная качающая секция, 6 — нерегулируемый насос-гидромотор; 1 — вал, 2 — коль­цо, 3, 9, 18— втулки, 4—пластина, 5 — шип, 6 — тарельчатые пружины, 7 — блок цилиндров, 8— диск, 10—штифт, 11 — шатун, 12—поршень, 13, 14 — шарикоподшипники, 15 — кольца, 16, 20 — передняя и задняя крышки, 17 — уплотнение, 19 — корпус

сосы и гидромоторы с наклонным блоком и наклонным диском. На одноковшовых экскаваторах послед­ние не применяют.

Нерегулируемый аксиально-по­ршневой насос-гидромотор с наклон­ным блоком (рис. 38). Блок 3 ци­линдров получает вращение от вала 1 через универсальный шарнир 2. Вал приводится в движение от двигателя и опирается на три шарикоподшипни­ка. Поршни 8 связаны с валом штоками 10, шаровые головки которых завальцованы во фланцевой части вала. Блок цилиндров, вращающийся

на шарикоподшипнике 9, расположен по отношению к валу под углом 30° и прижат пружиной 7 к распреде­лительному диску 6, который этим же усилием прижимается к крышке 5, через окна в которой подводится и отводится рабочая жидкость. Ман­жетное уплотнение 11 в передней крышке препятствует утечке масла из нерабочей полости насоса.

У такого насоса ось блока ци­линдров расположена под углом к оси ведущего вала, что и определяет его название — с наклонным блоком. В от­личие от него у аксиальных насосов

Рис. 40. Регулируемый аксиально поршневой насос:

1 — вал, 2, 13— крышки, 3— корпус, 4, 5, 6—шарикоподшипники, 7 — фланец,

8 — шатун, 9 — цапфа, 10 — поршень, // — блок цилиндров, 12 — распределительный

диск, 14 — поворотный корпус, 15 — центральный шип

с наклонным диском ось блока цилиндров совпадает с осью ведущего вала, а под углом к нему расположена ось диска, с которым шарнирно связаны штоки поршней.

Аксиально-поршневые регулируе­мые и нерегулируемые насосы и гидро­моторы, широко применяемые на отечественных экскаваторах, отлича­ются унифицированной конструкцией качающей секции (рис. 39, а). Опорами ведущего вала 1 служат три шарикоподшипника: два радиально-упорных 13 и один радиальный 14. От осевого перемещения внутренние коль­ца подшипников удерживаются двумя пружинными кольцами 15, втулкой 3 и запорным кольцом 2. В передней крышке 16 установлено манжетное уплотнение 17, опирающееся на втулку 18. В сферические гнезда фланца вала входят семь шатунов 11, которые вместе с центральным шипом 5 прижа­ты к фланцу вала штампованной пластиной 4. На шипе штифтом 10 зафиксирован блок 7 цилиндров, наружная поверхность которого опи­рается на распределительный диск 8. Опорами шипа служат с одной

стороны сферическая головка, а с дру­гой — бронзовая втулка 9, запресо-ванная в диск. Внутри блока цилиндра находятся семь поршней 12, завальцо-ванных на шатунах. Предварительное прижатие блока цилиндров к диску до­стигается пружинами 6.

Когда ось вала совпадает с осью шипа (как показано на рисунке), поршни при вращении вала не совершают возвратно-поступательно­го движения и не производят всасыва­ния и нагнетания рабочей жидкости.

Рассмотрим конструкции нерегули­руемого и регулируемых насосов с одной и двумя качающими секциями, выполненных на базе описанной качающей секции с наклонным блоком.

У нерегулируемого насоса блок цилиндров повернут так, что ось шипа составляет некоторый угол с осью вала (рис. 39, б). Поэтому при вращении блока поршни всасывают и нагнетают жидкость через каналы диска. При изменении размера и направления наклона блока цилиндров изменяют­ся мощность и направление потока рабочей жидкости. Если зафиксиро­вать угол наклона блока цилиндров, то

Рис. 41. Сдвоенный аксиально-поршневой насос с сумматором мощности:

а — гидравлическая схема, б — общий вид; 1,7 — поворотные корпуса, 2 — золотник, 3 — комплект из двух

пружин, 4 — траверса, 5 — вал насоса, 6 — редуктор, 8 — ограничитель хода, 9 — цапфа блока цилиндров,

10— тяга регулятора, // — винт установки минимального расхода, 12 — шайба

насос становится нерегулируемым. Описанная конструкция позволяет насосу работать и в режиме гидромо­ тора.

В регулируемом насосе создана возможность изменения наклона блока в процессе работы. Корпус 14 (рис. 40) насоса может быть повернут с помощью цапфы 9 по отношению неподвижного корпуса 3 на угол от 0 до 25°. Количество подаваемой насосом жидкости при этом пропорци­онально углу наклона блока 11 ци­линдров и частоте вращения вала 1 насоса. При такой конструкции достигается бесступенчатое регулиро­вание потока жидкости независимо от частоты вращения приводного двига­теля.

Усилие, которое необходимо прило­жить к цапфе, может быть таким, что непосредственное управление пода­чей насоса без применения усиливаю­щих устройств становится невозмож­ным. При высоком рабочем давлении жидкости насосы используют с усили-

телями механического и гидравличе­ского типов. Механические усилители могут быть как с ручным, так и с электрическим управлением. Гидравлические усилители оборудуют непосредственным или дистанционным управлением. Применяют также устройства, автоматически изменяю­щие угол наклона блока цилиндров в зависимости от давления в гидроси­стеме (регуляторы постоянной мощно­сти или ограничители мощности).

На отечественных экскаваторах 3-й и 4-й размерных групп установлены регулируемые аксиально-поршневые насосы, которые состоят из двух унифицированных качающих секций, смонтированных в одном корпусе. Такие насосы (рис.41) используют для создания двух потоков рабочей жидко­сти. Полное использование мощности приводного двигателя обеспечивается с помощью встроенного сумматора мощности, который распределяет мощ­ность между потребителями таким образом, что сумма этих мощностей

остается постоянной и равной уста­новленной мощности привода. Вал

5 (рис. 41, а) получает вращение от приводного двигателя и через редуктор

6 передает движение валам качающих секций.

Поворотные корпуса 1 и 7 качаю­щих секций установлены на подшипни­ках и могут поворачиваться вокруг вертикальной оси на угол 25°, чем достигается изменение подачи насоса. Оба корпуса 1 и 7 жестко связаны между собой траверсой 4 регулятора и могут поворачиваться только синх­ронно под воздействием регулятора мощности.

Регулятор мощности представляет собой двухступенчатый золотник 2 (рис. 41, б), помещенный непосред­ственно в корпусе насоса. Площади ступеней золотника регулятора рав­ны. Под каждую ступень подводится давление нагнетания от качающих секций, т. е. Р₁ и Р₂ Золотник соединен цапфами 9 с блоками цилиндров и воспринимает с одной стороны усилия пружин 3, а с другой — усилие, создаваемое давлениями Р₁ и Р₂ . При работе с малым давлением пружины удерживают корпуса 1 и

7 на наибольшем угле поворота, обеспечивая максимальную подачу насоса. Когда давление возрастает, золотник сжимает пружины, снижая подачу насоса. Пружины и упорную шайбу 12 подбирают таким образом, чтобы сохранить постоянной задан­ ную мощность привода.

Преимущества аксиально-поршне­вых насосов и гидромоторов: ком­пактность, высокий КПД при боль­шом давлении, сравнительно малая инерционность, значительная энерго емкость на единицу массы (в некото­рых высокооборотных конструкциях до 12 кВт/кг).

Недостатки этих насосов и гидро­моторов: необходимость в тонкой фильтрации рабочей жидкости, слож­ность изготовления и трудность обеспе­чения длительного срока службы некоторых деталей (подшипника бло­ка цилиндров у насосов с золотнико­вым распределителем).

Рис. 42. Кинематическая схема радиально-поршневого насоса:

/ — статор, 2 — ротор, 3 — каналы

Радиально-поршневые насосы (рис. 42) и гидромоторы. Основой насоса является кривошипно-шатун-ный механизм, у которого роль шатуна выполняет статор 1 соосный оси 0₁, а цилиндры сделаны в роторе 2. При вращении ротора вокруг оси

0₂, имеющей по отношению к оси 0₁ эксцентриситет е, поршень соверша­ ет вращательное движение вместе с ротором и возвратно-поступатель­ ное движение относительно ротора.

Жидкость подводится под поршень и отводится оттуда по двум каналам

3, сделанным вдоль оси ротора. Жидкость вытесняется (нагнетает­ ся) при вращении поршня от точки А к точке С и при перемещении его к центру (оси) 0₂. При работе необходимо, чтобы поршни были прижаты к статору. Достигается это либо под действием пружин, помеща­ емых под поршень, либо с помощью ползунов, перемещающихся в пазах статора, либо за счет вспомогатель­ ного подкачивающего насоса, благо­ даря которому поршни прижимаются к статору в полости всасывания насоса.

В гидромоторе аналогичного типа поршни прижимаются давлением жид­кости, подводимой под поршни.

Если в насосе изменить размер эксцентриситета е путем перемеще­ния статора, будет изменено действие

Рис. 43. Высокомоментный радиально-поршне-вой гидромотор:

/ — болт, 2,7, 13— крышки, 3 — гидрораспредели­тель, 4 — корпус гидрораспределителя, 5 — жиклер, 6 — шатун, 8 — фильтр, 9 — поршень, 10 — корпус гидромотора, //—упорное кольцо, 12 — опорные роликоподшипники, 14 — вал, 15 — клапан, 16 — опорные пластины, 17 — муфта

полостей всасывания и нагнетания на обратное. Изменение эксцентриситета вызывает соответствующее измене­ние подачи насоса.

Радиально-поршневые насосы при­меняют для создания давления до 25 МПа и подачи от 5 до 500 л/мин при частоте вращения ротора от 600 до 1500 в минуту.

Радиально-поршневые гидромото­ры аналогичны по устройству насосам и отличаются назначением и принци­пом действия.

На экскаваторах ЭО-4321 для привода механизма поворота приме­нен радиально-поршневой гидромо­тор (рис. 43), который развивает на валу большой крутящий момент и по­этому называется высокомоментным. Эксцентриковый вал 14 гидромотора опирается на два роликоподшипника 12, один из которых установлен в корпусе 10 гидромотора, а вто­рой — в нижней крышке 13. В посто­янном контакте с поверхностью вала

(удерживаются от осевого перемеще­ния упорными кольцами 11) нахо­дятся пять шатунов 6, которые приводят в движение поршни 9. Тру­щиеся поверхности шатунов и вала надежно смазываются путем подачи масла из цилиндра гидромотора через фильтры 8, запрессованные в поршни, каналы в шатунах и жик­леры 5.

Боковое смещение шатунов огра­ничено опорными пластинами 16. Сверху к корпусу 10 прикреплен корпус 4, в котором расположен гидрораспределитель 3, регулирую­щий поступление рабочей жидкости в гидромотор и слив ее в линию гидросистемы. Через муфту 17 гид­рораспределитель постоянно соеди­нен с валом и вращается вместе с ним.

К корпусу 4 гидрораспределителя присоединены два трубопровода от гидросистемы. Между гидрораспре­делителем 3 и его корпусом 4, а также между цилиндрами и поршнями гид­ромотора установлены уплотнитель-ные фторопластовые кольца. Внут­ренние полости гидромотора закрыты крышками 2,7 и 13.

Сбоку к корпусу 4 прикреплен разгрузочный дренажный клапан 15. На нижнем выступающем конце эксцентрикового вала жестко шпон­кой закреплена обегающая шестерня механизма поворота, находящаяся в зацеплении с зубчатым венцом на ходовой раме.

Гидромотор работает следующим образом. Из нагнетательного трубо­провода рабочая жидкость под дав­лением поступает в корпус гидро­распределителя, а затем в гидро­распределитель. Полость нагнетания гидрораспределителя соединена с на­гнетательными окнами в его центра­льной части, через которые жидкость поступает в каналы А, соединенные с каналами корпуса гидромотора. При этом жидкость попадает в два или три цилиндра гидромотора в за­висимости от положения окон распре­делителя относительно отверстий кор­пуса 4. Под давлением жидкости

поршни начинают перемешаться в цилиндрах и через шатуны приводят во вращение вал. В результате обегающая шестерня механизма пе­рекатывается по зубчатому венцу и поворотная платформа экскаватора вращается относительно его ходовой тележки.

Во время работы гидромотора часть поршней перемещается от цент­ра, выталкивая жидкость через окна в цилиндрах в каналы корпуса гидромотора и корпуса распределите­ля. Из канала Б жидкость затем перетекает в сливную линию гидроси­стемы. Если давление жидкости, проникающей в дренажную линию через зазоры притертых полостей, превышает допустимую величину, по­ршень клапана 15 сжимает пружи­ну и жидкость выходит наружу через отверстие В. Это сигнализирует о снижении КПД гидромотора.