3.2.3 Характеристика подачі поршневих насосів

Однією з відмінних особливостей поршневих насосів є нерівномірна подача ними рідини за час подвійного ходу поршня. З’ясуємо причину цієї нерівномірності і встановимо значення параметрів, що характеризують нерівномірність подачі насосів різних типів. У першу чергу зупинимося на приводному однопоршневому насосі односторонньої дії. Оскільки площа поперечного перерізу поршня ω є постійною для даного насоса, то нерівномірність подачі рідини залежить виключно від зміни швидкості руху поршня. Якщо довжина шатуна в порівнянні з радіусом кривошипа r достатньо велика, то при кривошипно-шатунному приводі швидкість руху поршня змінюється за законом синуса і визначається наближеною залежністю:

(3.11)

а миттєва подача

(3.12)

де ω_уг – кутова швидкість обертання кривошипа, рад/с;

r – радіус кривошипа, м.

Таким чином, подача рідини змінюється на протязі руху поршня в залежності від його швидкості, тобто по синусоїді. Зміна подачі рідини на протязі ходу поршня для різних поршневих насосів легко зобразити графічно. За допомогою зазначених графіків можна визначити коефіцієнт нерівномірності подачі, тобто з’ясувати, у скільки разів максимальна подача насоса більше середньої подачі.

Побудуємо графік подачі насоса односторонньої дії, для чого опишемо півколо (рис. 3.4, а) радіусом, який в умовному масштабі зображує площа поперечного перерізу поршня ω. Протягом діаметра відкладемо в масштабі розгорнуту окружність, описану радіусом кривошипа r. На лівій половині розгорнутої окружності побудувати синусоїду. Площа, обмежена синусоїдою, зображує обсяг рідини, поданої за один хід поршня, що легко доводиться.

Рисунок 3.4 – Графік витрати насосів

Нехай кривошип займає положення, яке відповідає куту φ. Через час dt кривошип пересунеться на кут dt, а палець кривошипа опише дугу dφ. Величина нескінченно малою заштрихованої площі з основою rdφ буде

(3.13)

Проінтегруємо цей вираз

( 3.14)

Отже, площа, обмежена синусоїдою, в деякому масштабі зображує об’єм рідини, поданої за один хід поршня. У насосі односторонньої дії при зворотному русі поршня подачі немає, тому на правому відрізку діаграми площі, обмеженої синусоїдою, не буде.

Замінимо площа синусоїди площею прямокутника, що має підставу πr+πr. Висота прямокутника в прийнятому масштабі дорівнює середній подачі за повний цикл. Найбільша висота синусоїди показує максимальну подачу.

Відношення максимальної висоти синусоїди до висоти прямокутника дорівнює відношенню максимальної подачі до середньої, званої коефіцієнтом нерівномірності подачі насоса:

(3.15)

Площа прямокутника (згідно побудови) дорівнює m2πr = ωS, але S = 2r, тоді m2πr = ω2r, звідки

(3.16)

отже

(3.17)

Таким чином, насос односторонньої дії має коефіцієнт нерівномірності подачі, рівний π=3,14. Це означає, що у насоса односторонньої дії максимальна подача більше середньої подачі в π раз.

Насос двосторонньої дії має за один оборот валу двигуна дві подачі – при русі поршня вправо і вліво.

Якщо знехтувати площею перетину штока, то ці подачі будуть однаковими за величиною і діаграма подачі насоса зобразиться у вигляді двох однакових синусоїд (рис. 3.4, б). Тоді для насоса двосторонньої дії матимемо:

(3.18)

звідки

(3.19)

отже

(3.20)

Це означає, що у насоса двосторонньої дії максимальна подача перевищує середню в 1,57 рази. Для трипоршневого насоса графік подачі показаний на (рис. 3.4, в). Коефіцієнт нерівномірності подачі для трипоршневого насоса дорівнює:

( 3.21 )

Аналогічним чином можуть бути встановлені коефіцієнти нерівномірності подачі і для інших поршневих насосів, які наведені в таблиці 3.2.

Таблиця 3.2 – Коефіцієнти нерівномірності подачі поршневих насосів

Вид насоса	Значення коефіцієнта нерівномірності подачі
Однопоршневий односторонньої дії	3,14
Однопоршневий двосторонньої дії	1,57
Трьопоршневий односторонньої дії	1,047
Двопоршневий двосторонньої дії	1,11
Однопоршневий диференційний	1,57 і 3,14

У диференціальних насосах процес всмоктування відбувається тільки при ході поршня в одному напрямку, тому нерівномірність всмоктування характеризується таким же коефіцієнтом, як і у насоса одинарної дії, тобто 3,14. Ступінь нерівномірності процесу нагнітання у диференціальних насосів залежить від співвідношення між площами поршня ω і штока ω_ш.

Найкраща рівномірність подачі забезпечується при ω_ш=ω/2, в цьому випадку коефіцієнт нерівномірності нагнітання характеризується коефіцієнтом 1,57.