5.6 Поворотные гидродвигатели

Поворотным называют объемный гидродвигатель с ограниченным углом поворота выходного звена (вала). Применение в гидроприводах поворотных гидродвигателей упрощает кинематику передающих звеньев машин и механизмов по сравнению с гидроприводами, в которых для этих же целей применяют гидроцилиндры. Это объясняется тем, что вал поворотного гидродвигателя может быть непосредственно соединен с валом приводной машины без каких-либо промежуточных кинематических звеньев, понижающих точность отработки углов поворота машины. Условные графические обозначения поворотных гидродвигателей в схемах – по ГОСТ 2.782-68*.

Основными параметрами поворотных гидродвигателей являются: номинальные давление р_ном, расход Q_ном, вращающий момент М, угол поворота φ и угловая скорость ω вала гидродвигателя, а также масса т гидродвигателя. Угол поворота вала не превышает 360°. Поворотные гидродвигатели по конструкции рабочих камер разделяют на пластинчатые и поршневые.

Пластинчатые поворотные гидродвигатели по числу пластин разделяют на одно-, двух- и трехпластинчатые. На рис. 5.13, а показана схема однопластинчатого поворотного гидродвигателя, состоящего из корпуса 1, вала 5, пластины 2, жестко соединенной с валом, и боковых крышек 3 и 4. Гидродвигатель имеет две рабочие камеры А и Б, образованные рабочими поверхностями корпуса, пластины и боковых крышек. Принцип работы гидродвигателя следующий. При подводе рабочей жидкости под давлением в камеру А пластина 2 с валом 5 поворачивается по часовой стрелке под действием создаваемого вращающего момента М. Одновременно с поворотом пластина вытесняет рабочую жидкость из камеры Б в сливную линию. Если изменить направление потока рабочей жидкости и подводить ее под давлением в камеру Б, то вал гидродвигателя будет поворачиваться против часовой стрелки.

Рисунок 5.13 – Однопластинчатый поворотный гидродвигатель: а – схема; б – условные обозначения

Вращающий момент (Нм) на валу гидродвигателя

(5.37)

где – перепад давлений, Па; S = (R – r)b – рабочая площадь пластины, м²; R и r – большой и малый радиусы; м; b – ширина пластины, м; l = (R + r) / 2 – плечо (расстояние от оси вращения вала до точки приложения силы давления, м; z – число пластин.

Угловая скорость (рад/с) вала гидродвигателя

, (5.38)

где Q – расход жидкости, м³/с.

Применение пластинчатых поворотных гидродвигателей (ПГД) ограничивается в ГП высокого давления сложностью обеспечения герметизации рабочих камер.

5.7 Пластинчатые насосы и гидромоторы

Пластинчатым называется роторный насос с рабочими звеньями-замыкателями в виде пластин.

На рис. 5.14, а показана схема пластинчатого насоса однократного действия. Насос состоит из статора 1, ротора 2, в пазах которого помещены пластины 3. Статор расположен эксцентрично ротору (е – эксцентриситет). На боковых крышках корпуса имеются два окна: всасывающее А и нагнетающее Б. Расположенные окна всасывания А1 и А2, а вытеснение через окна Б1 и Б2. Для обеспечения поджима пластин 3 к статору 1 по кольцевой проточке В подается жидкость из напорной полости.

Рабочий объем пластинчатого насоса двухкратного действия

, (5.39)

где b – ширина пластины; R – большая полуось статора; z – радиус ротора.

При определении рабочего объема насоса не учтен объем, занимаемый выдвигающимися частями пластин. Как следует из формулы (5.39), пластинчатые насосы двукратного действия являются нерегулируемыми. Теоретическую подачу насоса определяют по формуле

Q_T = 10 ^-3 q₀n, (5.40)

где q₀ – номинальный рабочий объем, см³; n – число оборотов, об/мин.

Рисунок 5.14 - Пластинчатый насос Рисунок 5.15 - Схема пластинчатого

однократного действия: а - схема; насоса двукратного действия

б - условное обозначение

Рабочие камеры образуются рабочими поверхностями статора, ротора, двух смежных пластин и боковых крышек.

Принцип работы насоса следующий. Во время работы насоса пластины постоянно прижимаются к статору как пружинами, так и под действием центробежных сил. Из-за наличия эксцентриситета они совершают сложное движение: вращаются вместе с ротором и совершают возвратно-поступательное движение в пазах. При вращении ротора, например, по часовой стрелке, рабочие камеры, расположенные слева от вертикальной осевой линии, сообщаются со всасывающим окном А. Их объемы увеличиваются, возникает вакуум, и рабочая жидкость под действием перепада давлений поступает из бака и заполняет рабочие камеры. Так происходит процесс всасывания. В зоне перемычек между окнами объемы рабочих камер не изменяются. Рабочие камеры насоса, расположенные справа от вертикальной осевой линии, сообщаются с нагнетающим окном Б. Их объемы уменьшаются, и находящаяся в них рабочая жидкость вытесняется через окно Б на выход из насоса и далее в напорную линию. Так происходит процесс нагнетания.

Рабочий объем пластинчатого насоса однократного действия

q₀ = 2e(2R – zs) b, (5.41)

где е – эксцентриситет; R – радиус ротора; z – число пластин; s – толщина пластины; b – ширина пластины.

Рабочий объем насоса регулируют, изменяя эксцентриситет. Путем смещения статора можно получать различные значения эксцентриситета по обе стороны от ротора, что позволяет осуществлять реверс подачи насоса.

Теоретическую подачу насоса определяют по формуле (5.40).

Для разгрузки опор ротора от радиальных сил, возникающих от действия давления, применяют пластинчатые насосы двукратного действия (рис. 5.15).

Схема работы пластинчатого гидромотора показана на рис. 5.16. Вращающий момент на валу гидромотора создается в процессе нагнетания (при подводе рабочей жидкости под давлением в рабочую камеру) в результате разности давлений, действующих на две смежные пластины:

M_i = p(S₁l₁ – S₂l₂),

где р – давление рабочей жидкости; S₁ и S₂ – рабочие площади пластин; l₁ и l₂ – плечи действия равнодействующей сил давления.

Рисунок 5.16 – Схема работы пластинчатого гидромотора

Полный вращающий момент, равный сумме составляющих моментов рабочих камер, соединенных с окном нагнетания, определяют по формуле:

(5.42)

Одновременно при вращении ротора из рабочих камер, соединенных с другим окном, жидкость вытесняется.

Самый нагруженный элемент пластинчатой гидромашины – пластина. Усилие прижатия пластины к статору без учета сил трения

F_пл = F + F_j1 + F_j2, (5.43)

где F = pbs – равнодействующая сила давления жидкости, действующей на торец пластины шириной b и толщиной s; F _j1 = mφω² – сила от центростремительного ускорения пластины массой т с центром масс на радиусе р; F_j2 = meω² – сила от ускорения пластины при движении по профилю статора.

Контактное напряжение, возникающее при прижатии пластины к статору,

σ = F_пл / (bs). (5.44)

Пластины изготовляют из быстрорежущих инструментальных сталей типа Р18. Размеры пластины имеют допуски по g6 или f7; шероховатость поверхности Ra = 0,20 мкм.

Чтобы уменьшить трение и защемление в пазах, пластины располагают не по радиусу, а с отклонением на угол 7 ... 15° в сторону вращения ротора.

Статоры пластинчатых насосов изготовляют из легированных сталей; они являются прецизионными деталями, так как имеют очень точную профилированную внутреннюю поверхность. Параметр шероховатости поверхности профили Ra = 0,1 мкм.

Роторы изготовляют из стали 20Х. Параметр шероховатости поверхностен боковых торцов Ra = 0,025 мкм, пазов Ra = 0,20 мкм. Пазы в роторе обрабатываются по посадке Н7.