5.4 Радиально-поршневые насосы и гидромоторы

Радиально-поршневым насосом называют поршневой насос, у которого рабочие камеры образованы рабочими поверхностями поршней и цилиндров, а оси поршней расположены перпендикулярно к оси блока цилиндров или составляют с ней угол более 45°.

Схема радиально-поршневого насоса однократного действия показана на рис. 5.8. Статор 1 расположен эксцентрично относительно ротора 2 (е – эксцентриситет). В цилиндрах, радиально расположенных в роторе, находятся поршни 3, которые опираются сферической головкой на опорную поверхность статора.

Рисунок 5.8 – Радиально-поршневой насос однократного действия: а – конструкция; б – условное обозначение

Оси цилиндров расположены в одной плоскости и пересекаются в одной точке. Распределение рабочей жидкости осуществляется неподвижным цапфенным золотниковым распределителем 4, в котором А – всасывающая и Б – нагнетающая полости, аб – перемычка. Вал 5 жестко соединен с ротором 2.

Принцип работы насоса следующий. При вращении ротора поршни совершают сложное движение – они вращаются вместе с ротором и движутся возвратно-поступательно в своих цилиндрах так, что постоянно контактируют с направляющей статора. Поршни прижимаются к статору центробежными силами, давлением жидкости (при наличии подпитки) и иногда пружинами. В рабочих камерах, расположенных выше горизонтальной осевой линии, поршни перемещаются в направлении от распределителя 4. Рабочие камеры соединены со всасывающей полостью А. Так как объемы этих рабочих камер увеличиваются, рабочая жидкость заполняет их. Так происходит процесс всасывания.

Рабочие камеры, расположенные ниже горизонтальной осевой линии, соединены с полостью нагнетания Б. Поршни в этих камерах перемещаются в направлении к цапфенному распределителю и вытесняют рабочую жидкость из рабочих камер на выход из насоса. Так происходит процесс нагнетания.

При необходимости увеличения рабочего объема используют радиально-поршневые насосы многократного действия, в которых за один оборот вала происходит несколько рабочих циклов.

Рабочий объем радиально-поршневого насоса однократного действия

, (5.17)

где S_П – площадь поршня; h – полный ход поршня; h = 2e; е – эксцентриситет; z – число поршней; k – число рядов поршней.

Рабочий объем радиально-поршневого насоса многократного действия

, (5.18)

где h₁ – ход поршня за один цикл; т – число циклов.

Теоретическую подачу насоса вычисляют по формуле (5.6).

Так как эксцентриситет е определяет ход поршня (h = 2е), то изменением эксцентриситета е регулируют рабочий объем насоса. При возможности смещения статора в обе стороны от оси ротора появляется возможность реверсирования потока рабочей жидкости.

В процессе работы радиально-поршневой машины на каждый поршень действуют сила инерции и давление жидкости. Сила инерции определяется массой поршня и ускорением относительного движения его в цилиндре. Результирующую силу давления жидкости на поршень

(5.19)

(где р_Н – давление нагнетания рабочей жидкости; d_П – диаметр поршня), направленную по оси поршня, можно разложить на две составляющие (рис. 5.9): тангенциальную

(5.20)

и радиальную

, (5.21)

где  – см. на рис. 5.9.

Рисунок 5.9 – Схема вращающейся кулисы

Длина поршня l = 2 (е + d_П). Минимальная глубина погружения поршня в роторе l₁ = (1,5 ... 2,0) d_П. Диаметр ротора D_p = 12,5 d_П; внутренний диаметр опорной поверхности статора D_с = D_p + 2е; диаметр цапфенного распределителя D_o = (4,5 ... 5,0) d_П. Другие расчеты размеров конструкции и все прочностные расчеты радиально-поршневых гидромашин производят обычными методами, принятыми в машино-строении.

Кулачковые радиально-поршневые насосы выполняют с клапанным распределением (рис. 5.10).

Рисунок 5.10 – Схема работы кулачкового радиально-поршневого насоса

Рабочая камера насоса заполняется жидкостью через всасывающий клапан 2 с пружиной 1; вытеснение жидкости производится поршнем 5 через нагнетательный клапан 3. Движение поршню 5 передается кулачком 6, к которому поршень поджимается пружиной 4. Ось О₁ вокруг которой вращается кулачок, смещена относительно его геометрической оси О₂ на эксцентриситет е. При вращении кулачка поршень совершает в цилиндре возвратно-поступательное движение. Ход поршня равен 2е. По такой схеме выполняются насосы серии ВНР для гидропривода механизированных крепей в горной промышленности. Максимальное давление 32 МПа, подача до 10 л/с; насосы работают на водной эмульсии.

Кулачковые радиально-поршневые насосы с клапанным распределением являются необратимыми гидромашинами, т. е. они не могут работать в режиме гидромоторов. Кроме того, подобные насосы не допускают изменения направления вращения.

Материалы основных деталей радиально-поршневых гидромашин выбирают с учетом режимов и условий эксплуатации, а также в зависимости от типа конструкции. Для повышения антифрикционных свойств распределительного диска и блока цилиндров соответственно применяют бронзу или сталь с цементацией рабочей поверхности на глубину 0,7 ... 0,9 мм и закалкой до твердости HRC 58 – 62. Поршни изготовляют из стали 20Х или ШХ15 с твердостью поверхности после термообработки HRC 58 – 62, а для стали 40Х с наибольшей возможной твердостью. Копир выполняют из стали ШХ15 с твердостью HRC 56 – 62. Статор изготовляют из чугуна СЧ 12 или стали.

Требования к точности и шероховатости рабочих поверхностей идентичны тем, которые предъявляются к основным деталям объемных насосов.

Пример. Определить основные размеры рабочих элементов двухрядного радиально-поршневого насоса. Параметры насоса: подача 4,0 л/с; номинальное давление 10 МПа; частота вращения вала п = 980 об/мин; _V = 0,98;  = 0,92.

Теоретическая подача насоса

Q_T = Q/_V = 4,0/0,98 = 4,04 л/с.

Рабочий объем

см³.

Принимая число поршней z = 9 в одном ряду, число рядов поршней k = 2 и число циклов т = 1, h = 0,65, находим диаметр поршня:

см

Диаметр поршня принимаем равным 30 мм по ГОСТ 12447-80. Ход поршня определяем из выражения

см.

Эксцентриситет

е = h/2 = 1,97 / 2 = 0,985 см = 9,85 мм.

Длина поршня l = 2 (е + d_П) ≈ 80 мм. Диаметр цапфенного распределителя D₀ = 5 d_П = 530 = 150 мм. Диаметр ротора D_p = 12,5 d_П = 12,5  30 = 375 мм. Внутренний диаметр опорной поверхности статора D_c = 375 + 2 x 9,85 = 395 мм. Принимаем D_с = 400 мм.

Диаметр каналов в распределительной цапфе при скорости потока рабочей жидкости V =3 м/с и двух каналах

см.

Полезная мощность насоса N_П = 4,010 = 40 кВт.

Мощность, потребляемая насосом, N = 40 / 0,92 = 43,5 кВт.