4. Построение характеристики насосной установки

В качестве источника энергии рабочей жидкости объёмных гидроприводов используют объёмные насосы (шестерённые, винтовые, пластинчатые, поршневые, аксиально – и радиально – поршневые). Основными параметрами насосов являются:

- рабочий объём W_н, см³;

- частота вращения вала n_н, об /мин;

- подача Q_н, л/мин;

- давление (напор) р_н, МПа.

Трубопровод, подключаемый к насосу на входе, называют всасывающим, подключаемый на выходе насоса – напорным.

Теоретическая подача Q_нт любого роторного объёмного насоса с учётом единиц измерения:

Q_нт = 10^–3W_н n_н . (47)

Действительная подача Q_нд несколько меньше теоретической на величину утечек рабочей жидкости, которые задают объёмным КПД насоса η_он:

Q_нд = Q_нт η_он = 10^–3W_н n_н η_он. (48)

Давление насоса р_н определяют как разность давлений на выходе и входе. Рассмотрим схему гидропривода, изображённого на рис. 3. Давление р_вых на выходе насоса – это давление в сечении 3 – 3 (рис. 14). Определим давление р_вх на входе в насос. Для этого составим уравнение Бернулли для сечений 1 – 1 и 2 – 2. При этом не учитываем геометрический и скоростной напор. Пъёзометрический напор определим как величину давления, потери напора – как потери давления на участке 1 – 2 ∆р_1-2. Режим течения будем считать турбулентным. С учётом вышесказанного уравнение Бернулли (1) для объёмного гидропривода примет вид:

р₁ = р_вх + ∆р_1-2. (49)

Так как избыточное давление в сечении 1 – 1 равно нулю (р₁ = 0), уравнение (49) примет вид:

– р_вх = ∆р_1-2, (50)

где .

Рис. 14. К определению давления насоса

Потери давления:

- по длине потока (14) ; (51)

- в местных сопротивлениях (на фильтре и при внезапном сужении)

∆р_м3 = ζ_ф + ζ_вс . (52)

Давление насоса с учётом (50): , или .

С учётом (51) и (52), давление насоса будет равно:

, (53)

где + ζ_ф + ζ_вс .

Давление р₃ = ∆р_Σ – см. раздел 2 (31).

По принципу регулирования объёмные насосы разделяют на нерегулируемые и регулируемые. Нерегулируемые насосы работают совместно с предохранительным или переливным клапаном, регулируемые – с регуляторами подачи (регуляторы подачи составляют часть конструкции насоса).

Совокупность насоса с предохранительным или переливным клапаном, и насоса с регулятором подачи называют насосной установкой. Характеристику р_н = f(Q) называют характеристикой насосной установки.

4.1. Объёмный насос с предохранительным клапаном

Предохранительный клапан предназначен для предохранения элементов гидропривода от давления, превышающего допускаемое значение. Принцип работы гидроклапана (рис. 15) основан на уравновешивании силой сжатия пружины 2 силы давления рабочей жидкости, действующей на клапан 1. При превышении давления в напорной линии выше допускаемого значения сила давления, действующая на клапан 1, превышает силу противодействия пружины, и клапан открывается, соединяя напорную и сливную линию. Давление в напорной линии уменьшается.

Рис. 15. Схема предохранительного клапана:

1 – клапан; 2 – пружина

Предохранительный клапан срабатывает только при превышении давления, то есть в аварийной ситуации. При нормальном (рабочем) режиме клапан закрыт, поэтому расход через него принимается равным нулю. Тогда подача насосной установки и насоса одинаковы (Q_ну = Q_н), следовательно, графическая характеристика насосной установки совпадает с характеристикой насоса (рис. 16).

Рис. 16. Характеристика насосной установки с предохранительным клапаном

Характеристика объёмного насоса линейна, поэтому её строят по двум точкам:

- первая точка А соответствует теоретической подаче насоса при р_н = 0 (отсутствует противодействие со стороны выходного звена гидропривода). Теоретическую подачу Q_нт насоса определяют по формуле (47);

- вторая точка В соответствует действительной подаче насоса при давлении р_н (рабочее состояние гидропривода). Действительную подачу Q_нд определяют по формуле (48). Объёмный КПД η_он определяют по формуле:

, (54)

где q – величина утечек рабочей жидкости.

Совместим характеристику трубопровода (рис. 8) с характеристикой насосной установки (рис. 16). Точка пересечения двух характеристик – это рабочая точка гидропривода, положение которой определяет рабочие параметры гидропривода – рабочее давление р_н и действительную подачу Q_нд (рис. 17).

Рис. 17. Совмещённая характеристика трубопровода и насосной установки

с предохранительным клапаном:

1 – характеристика насосной установки; 2 – характеристика трубопровода;

R – рабочая точка гидропривода

Координаты рабочей точки R являются основой для определения потребляемой гидроприводом мощности N_вх, величина которой в свою очередь определяет выбор мощностных параметров электродвигателя или двигателя внутреннего сгорания (ДВС) для привода вращения вала насоса:

, (55)

где η_гп – полный КПД насоса (η_гп = η_он η_гм).

Как правило, объёмный η_он и η_гм гидромеханический КПД указывают в паспортных данных насоса при номинальном давлении и подаче.