2. Насосы и гидравлические двигатели

2.1. Основные разновидности ротационно-поршневых машин

По конструктивно-кинематическим признакам все существующие ротационно-поршневые насосы и гидромоторы чаще всего принято подразделять на три основных типа: аксиальные, радиальные, эксцентриковые.

В литературе можно встретиться и с иными подходами и трактовками. Например, с делением машин на 4 типа: с пространственной кинематикой (аксиальные; с плоской кинематикой (радиальные); инверсионные (могут быть и аксиальные и радиальные); рядные (с клапанным распределением, в основном эксцентриковые).

2.1.1. Аксиально-поршневые машины

Универсальный регулятор скорости (УРС)

Принципиальная схема УРС приведена на рис. 2.1. В блоке цилиндров 1 расположены поршни 2. Золотниково-распределительное устройство 3 обеспечивает образование двух полостей – полости нагнетания и полости всасывания рабочей жидкости. Поршни при помощи штоков 4 соединены с качающейся шайбой 6. Шайба помещена в чашку 5. Шарнир 7 обеспечивает передачу вращения от входного вала, жестко связанного с блоком цилиндров, качающейся шайбе.

рис. 2.1. Схема УРС

В основу данной машины заложен кривошипно-шатунный механизм (рис. 2.2). Только таких механизмов несколько. Все они объединены в один блок. Кривошип R заменен шайбой и повернут на 90^о в плоскости вращения, при этом шайба на подшипниках покоится в чашке, при помощи которой может наклоняться от начального положения на угол  . Поршни с цилиндрами разнесены от оси вращения таким образом, что угол   0^о, и вращаются вместе с валом и шайбой. Нетрудно убедиться, что каждый поршень будет совершать одновременно два движения: переносное (в пространстве) и относительное (возвратно-поступательное).

Для изучения существа работы гидравлической машины как преобразователя механической энергии в энергию потока жидкости и наоборот, имеет значение в основном относительное движение, в процессе которого за один оборот вала машины (за один цикл переносного движения поршень) совершает два хода длиной h = 2Rsin. Один ход (на половине оборота вала) используется для всасывания жидкости в полость цилиндра, другой – для вытеснения ее из цилиндра (нагнетания в магистраль). Это обеспечивается специальной конфигурацией каналов золотниково-распределительного устройства (рис. 2.3).

Рис. 2.2. Схема кривошипно-шатунного механизма

Рис. 2.3. Конфигурация каналов золотниково-распределительного устройства

Работу насоса, использующего кривошипно-шатунный механизм, наглядно можно представить на примере работы поршневого насоса (рис. 2.4).

Рис. 2.4. Поршневой насос

В корпусе 1 насоса имеются два обратных клапана, пропускающих поток жидкости только в одном направлении. Клапан 2 пропускает жидкость только в рабочую полость А насоса (рабочий элемент (шарик) преодолевает усилие пружины в результате создания разрежения в полости при движении поршня влево, т.е. при засасывании жидкости), а клапан 3 – только из рабочей полости (рабочий элемент преодолевает усилие пружины в результате создания избыточного давления в полости при движении поршня вправо, т.е. при вытеснении жидкости). Поршень 4, связанный с кривошипом 5 с помощью шатуна 6, совершает возвратно-поступательное движение при вращении кривошипа 5 относительно оси 7. При вращении кривошипа по часовой стрелке (см. рис. 2.4) объем полости А будет уменьшаться, если конец кривошипа, связанный с шатуном, будет находиться выше линии а-а, и будет увеличиваться, если конец кривошипа будет находиться ниже линии а-а. Следовательно, происходят соответственно процессы нагнетания и всасывания жидкости. На этом основана работа всех поршневых насосов.

В УРС величина хода поршня, пропорциональна , и при прочих равных условиях определяет количество подаваемой насосом жидкости. Если в процессе вращения вала с одной и той же скоростью и в одну сторону изменять угол , например, от 20^о до 0^о, то будет изменяться и количество перекачиваемой жидкости от какого-то значения Q до 0 (естественно  не может быть равен или превышать 45^о, обычно  = 1530⁰).

При переходе шайбы через вертикальную ось (ось «мертвых положений») направление потока жидкости изменится на противоположное, т.е. произойдет реверс потока жидкости, и реверс движения выходного вала.

Так эта машина работает в роли насоса. Если же под поршни такой машины через золотниково-распределительное устройство подавать жидкость под давлением от какого-либо источника, то она будет гидродвигателем, в котором энергия потока жидкости будет преобразовываться в механическую энергию и через его вал передаваться управляемому рабочему органу.

Таким образом, ротационно-поршневые машины, как и всякие другие типы гидравлических машин, в принципе обратимы (необратимыми являются машины лишь с клапанным распределением) и в этом плане они аналогичны электрическим машинам постоянного тока.

Поскольку это так, то, очевидно, гидропривод может быть образован из двух принципиально одинаковых машин, одна из которых регулируема и используется, например, в качестве насоса, вращаясь в одну и ту же сторону с ₁=const, а другая нерегулируема и используется в качестве гидродвигателя (гидромотора), для которого ω₂ = var.

Машина очень хорошо отработана, обладает большой долговечностью и надежностью. Однако, по ряду параметров (частота вращения 500 об/мин), давление 1575 кГ/см²) не удовлетворяет требованиям некоторых современных отраслей техники, и, в частности, требованиям к приводам летательных аппаратов, пусковых и артиллерийских установок, танков, самоходных кранов и т.п. Пониженные скорости и рабочие давления обусловлены кинематическими особенностями машины – одношарнирным (несинхронным) соединением ведущего и ведомого звеньев (вал – блок цилиндров и ведомая шайба – блок цилиндров). Одношарнирное соединение валов, как известно из теории карданных механизмов, ведет к неравномерности текущей скорости ведомого звена (шайбы), что, в свою очередь, вызывает дополнительные динамические нагрузки, в первую очередь на штоки поршней, что ведет к ограничению вышеуказанных параметров. Поэтому в дальнейшем были изобретены более совершенные аксиально-поршневые машины.

Машины с качающимся блоком цилиндров

В машинах данного типа введено двух шарнирное соединение (рис. 2.5). При этом шайба названа диском, который располагается перпендикулярно к оси вращения, а блок цилиндров располагается в так называемой «люльке» и может изменять положение в пространстве, что приводит к изменению хода поршней и, как следствие,– производительности машины.

Рис. 2.5. Схема машины с качающимся блоком цилиндров

Двух шарнирное (синхронное) соединение ведущего и ведомого звеньев позволило повысить скорость вращения валов до 1000 об/мин для мощных машин и до 10000 об/мин относительно маломощных. Удалось также повысить рабочее давление до 150210 кГ/см² (280320 кГ/см²). Габариты и веса гидродвигателей при этом по сравнению с гидродвигателями УРС той же мощности сократились в 10 и более раз. Однако габариты регулируемого насоса остались практически такими же, ибо для изменения положения в пространстве блока цилиндров в корпусе насоса требуется больший объем, чем для качающейся шайбы. Этот тип машин выпускается серийно во всех развитых странах мира.

Машина с поворотным диском и косой шайбой

Эти разновидности машин получаются в том случае, если уничтожить механические связи между поршнями и шайбой (диском) – рис. 2.6.

Рис. 2.6. Схема машины с косой шайбой

Для обеспечения возвратно-поступательное движения поршней (плунжеров) в цилиндрах, необходимы какие-то дополнительные мероприятия: либо прижим поршней избыточным давлением в полости всасывания, либо введение под поршни специальных пружин.

Формула для определения хода поршня получает вид:

h = 2Rtg (R  const).

Эффект регулирования достигается путем изменения угла наклона  поворотного диска или косой шайбы. Машины компакты, особенно хороши в качестве гидромоторов машины с косой шайбой.