3. Общие сведения об объемных гидромашинах

3.1. Производительность и расход. Подача. Коэффициент неравномерности подачи

Производительностью будем называть объем жидкости, подаваемый (перекачиваемый) насосом за единицу времени.

Производительность является важнейшим параметром любого насоса, будь то в системе гидропривода или в системе так называемых «насосных станций». Этот параметр характеризует (при прочих равных условиях) размеры насоса и входит сомножителем в зависимость для определения его мощности. Обозначается чаще всего символом Q₁ (м³/с). Для обозначения теоретической производительности (т.е. производительности без учета объемных потерь, или утечек) принят символ Q₁₀. К числу наиболее употребительных единиц измерения этого параметра при рассмотрении гидропередач относятся см³/с и л/мин (для «насосных станций» м³/час).

Утечки представляют собой неустранимые потери жидкости из полости нагнетания в полость всасывания через неустранимые зазоры в гидромашине, обусловленные особенностями конструкции, например, в гидроцилиндре – утечки между движущимся поршнем и внутренней поверхностью цилиндра. Забегая вперед, отметим, что утечки прямо пропорциональны давлению нагнетания в гидросистеме и обратно пропорциональны вязкости жидкости, которая в свою очередь зависит от рода жидкости и ее температуры, а также зависят от конструктивно-технологических характеристик гидромашины.

Без строгих теоретических выкладок, используя лишь логические рассуждения при рассмотрении основных схем ротационно-поршневых машин, имея в виду при этом, что с достаточной степенью приближения в основе любого из них просматривается наличие простейшего кривошипно-шатунного механизма, можно записать:

, (3.1)

где h₁ – ход поршня (определяется для каждого типа насоса своей зависимостью) (м);

z₁ – число поршней насоса;

n₁ – частота вращения вала насоса (1/с);

– площадь поршня (м²);

d_n1 – диаметр поршня насоса (м);

– рабочий объем гидромашины (объем жидкости, подаваемый или пропускаемый машиной за один оборот ее вала при отсутствии утечек жидкости из рабочих камер; м³).

Рабочий объем является одним из основных параметров машины. Понятие рабочего объема позволяет записывать зависимости для производительности и расхода для любых типов машин в одинаковой форме, а именно: Q₁₀ = q₁ n₁ и Q₂₀ = q₂ n₂₀ (нижний индекс «2» обозначает гидромотор – см. далее). Откуда, например, теоретическая скоростная характеристика гидропривода (теоретическая частота вращения вала гидромотора) с объемным регулированием (производительность насоса регулируется изменением угла наклона косой шайбы) представляется как

; ; .

Выражение означает: сколько жидкости в единицу времени перекачивает насос (при отсутствии утечек), столько поступает в гидромотор.

Если насос объемно регулируемый (меняется угол наклона шайбы), то, учитывая, что ход поршня определяется как , будем иметь

и ,

где – максимальный рабочий объем при максимальном ходе поршня, который имеет место при наибольшем угле наклона шайбы , т.е. , ;

– параметр регулирования (принимает значения от 0 до 1), – текущий угол наклона косой шайбы, – максимальный угол наклона шайбы.

Таким образом, при , т.е. при максимальном угле наклона шайбы насоса теоретическая производительность насоса будет максимальной , также будет максимальной и теоретическая частота вращения выходного вала гидромотора . При , т.е. при нулевом угле наклона шайбы насоса (α=0) ход поршня будет равен нулю, поэтому будет равна нулю теоретическая производительность насоса ( ) и теоретическая частота вращения выходного вала гидромотора ( ).

Имея в виду, что , где ₁ – угловая скорость вращения вала насоса (рад/с), теоретическая производительность может быть представлена следующей зависимостью:

, (3.2)

где – «характерный объем» машины (объем жидкости, подаваемый (пропускаемый) машиной при повороте ее вала на один радиан при отсутствии утечек жидкости из рабочих камер; м³/рад).

Понятие «рабочий» и «характерный» объемы относятся исключительно к насосам и гидромоторам, т.е. машинам вращательного движения любого типа.

Формулы (3.1) и (3.2) являются основными при расчете геометрических размеров ротационно-поршневых машин по заданной производительности или мощности.

Под термином расход будем понимать объем жидкости, пропускаемый тем или иным элементом гидросистемы за единицу времени. Единицы измерения те же, что и для производительности. Обозначается расход чаще всего также буквой Q, но с соответствующими индексами. Например, Q₂ – действительный расход гидродвигателя, Q₂₀ – теоретический расход гидродвигателя, Q_др – расход через дроссель, Q_ф – расход через фильтр и т.п.

Под термином «подача» понимается мгновенная (текущая) производительность насоса, т.е. объем жидкости, подаваемый насосом в данный момент времени. Обозначается подача буквой Q_мгн, размерность аналогична размерностям производительности и расхода. В чем разница между понятиями «производительность» и «подача»? Для ответа на этот вопрос рассмотрим насос, имеющий всего один поршень. Для такого насоса

, (3.3)

Здесь – скорость перемещения поршня, где  – угол поворота кривошипа ( ; ; ; ).

Последнее выражение можно переписать в виде:

.

Из последнего выражения видно, что подача зависит от , т.е. от . Построим график зависимости Q¹_мгн от угла поворота вала насоса  (рис. 3.1).

Рис. 3.1. График подачи и схема кривошипно-шатунного механизма

За полный оборот вала насоса ( = 2), поршень подает объем жидкости в напорную магистраль лишь за первую половину оборота. Вторая половина оборота необходима для всасывания (пунктирная линия на графике). Определим среднюю за один оборот подачу насоса. Получим:

.

После преобразований получаем .

Сопоставляя это выражение с формулами (3.1, 3.2), и учитывая z₁ =1, приходим к выводу, что . Таким образом, производительность насоса представляет собой среднеинтегральную подачу за один оборот вала машины.