2. Пластинчатые насосы
Пластинчатые ГМ (гидромашины) относятся к роторно-поступательным (см. рис. 1.1) с рабочими органами (вытеснителями) в виде плоских пластин. Благодаря малым размерам, удобству встраивания и высокому КПД пластинчатые ГМ широко применяются в гидроприводах станков и других машин-орудий. Особенно распространены пластинчатые нерегулируемые насосы двукратного действия для работы при давлениях 7-14 МПа, отличающиеся большой надежностью.
Пластинчатые насосы могут быть однократного (рис. 2.1, а), двукратного (рис. 2.1,б) и многократного действия.
Рис. 2.1. Пластинчатые насосы однократного (а)
и двукратного действия (б):
1,3 – рабочие камеры; 2 – точка контакта; 4 – ротор; 5 – пластина; 6 – статор (корпус); 7 – паз; 8 – пружина; 9 – область всасывания; 10 - область нагнетания
Пластинчатые насосы компактны, просты в производстве и надежны в эксплуатации. Частоты вращения обычно находятся в диапазоне 1000-1500 об/мин. Полные КПД для большинства составляют 0,60-0,85, а объемные КПД – 0,70-0,92 /8/.
2.1. Пластинчатые насосы однократного действия
На рис. 2.1, а приведена упрощенная конструктивная схема пластинчатого насоса однократного действия. В пазах 7 вращающегося ротора 4, ось которого смещена относительно неподвижного статора 6 на величину эксцентриситета е, установлены несколько пластин 5 с пружинами 8. Вращаясь вместе с ротором, эти пластины одновременно совершают возвратно-поступательное движение в пазах 7 ротора. Рабочими камерами являются объемы 1 и 3, ограниченные соседними пластинами, а также поверхностями ротора 4 и статора 6. При вращении ротора рабочая камера 1, соединенная с полостью всасывания, увеличивается в объеме и происходит ее заполнение. Затем она переносится в зону нагнетания. При дальнейшем перемещении ее объем уменьшается и происходит вытеснение жидкости (из рабочей камеры 3).
Для пластинчатых насосов важным является обеспечение герметичности в месте контакта пластины и корпуса (точка 2). В насосах с высокими скоростями это может быть получено за счет центробежных сил. В конструкции рис. 2.1, а герметичность обеспечивают пружины 8. В некоторых конструкциях это достигается за счет давления жидкости, создаваемого под пластинами в пазах 7.
Основными частями простейшего пластинчатого насоса однократного действия (рис. 2.2) являются вращающийся ротор 3, помещенный с эксцентриситетом е в неподвижном кольце статора 4. В пазах ротора находятся пластины 5, способные при вращении перемещаться радиально. Их наружные концы скользят по окружности радиуса Rс. В статоре прорезаны окна 6 и 2, соединенные с подводящей и отводящей линиями соответственно. Дуги перемычек между окнами 2 и 6 соответствуют угловому шагу между пластинами 2π/z (где z – число пластин).
Рабочий объем пластинчатой ГМ определяется радиусом статора Rс и активным радиусом ротора rа , связанными соотношением Rс - rа = е, где е – эксцентриситет. Радиус rа больше радиуса r ротора на величину минимального зазора между ротором и статором напротив «мертвой» точки В.
Рис. 2.2. Схема пластинчатого насоса однократного действия:
1 – полость; 2 – окно высокого давления; 3 – ротор; 4 – статор; 5 – пластины; 6 – окно низкого давления; А, В – «мертвые» точки; ОО’C – треугольник, определяющий закон выдвижения пластин х = f (α); аbb’a’ – максимальная площадь между пластинами; cdd’c’ - минимальная площадь между пластинами; fgg’f’- участок кольца средним радиусом R = rа + е; е – эксцентриситет; rа - активный радиус ротора; Rс - радиус статора; Qн1 , Qн2 - соответственно подача на входе и выходе насоса; z – число пластин; ∆ - толщина пластины.
Когда объем между двумя соседними пластинами находится напротив нижней «мертвой» точки В, он минимален, при нахождении напротив верхней «мертвой» точки А – максимален. За один оборот ротора из области с давлением р1 в область с давлением р2 переносится z объемов (по числу пластин), характеризуемых разностью максимальной abb’a’ и минимальной cdd’c’ площадей между пластинами. Приближенно разность этих площадей можно представить как участок кольца fgg’f’ со средним радиусом R = rа + е, где rа - активный радиус ротора, и шириной 2е за вычетом толщины пластины ∆. Тогда максимальный объем между пластинами
Vk = (2πR/z - ∆)2eb,
где b – ширина статора; z – число пластин.
Рабочий объем машины
q = Vа = z Vk = 2eb (2πR - z ∆).
Неравномерность подачи для пластинчатых машин такая же, как и для поршневых, число пластин в машинах однократного действия всегда выбирают нечетным.
При работе пластины должны быть прижаты к статорному кольцу. Начальный прижим пластин в насосе обычно осуществляется под действием центробежных сил и иногда пружин, а рабочий прижим производится под действием гидростатических сил давления жидкости на внутренние торцы пластин 5 из полостей 1 (см. рис. 2.2). В насосах, предназначенных для работы при более высоких давлениях (14-16 МПа), эти полости обычно сообщаются соответственно с окнами высокого и низкого давления. При этом конструкция насоса усложняется. В насосах среднего и низкого давления (≤ 7 МПа) во все полости 1 подводят жидкость под высоким давлением р2, что упрощает конструкцию, но повышает объемные и механические потери в области низкого давления.
Необходимость использования центробежных сил для выдвижения пластин ограничивает минимальную частоту вращения пластинчатых насосов nmin › (0,4-0,6) nmах. Это особенно важно в начальный период после пуска насоса, когда РЖ еще холодна и ее вязкость велика.
Под действием разности давлений р = р2 - р1 на рабочую поверхность вытесняющей пластины и силы трения на ее скользящей кромке пластина изгибается. При этом создается изгибающий момент, защемляющий ее в пазу ротора. Во избежание быстрого износа пластин и заклинивания их в пазах максимальный вылет пластин 2е должен быть меньше, чем часть пластины, погруженная в ротор, что ограничивает возможность увеличения рабочего объема при заданном радиусе статора Rс путем увеличения эксцентриситета е.
Трение пластин о статор и возможное снижение подачи вследствие кавитации лимитирует максимальную частоту вращения и, следовательно, максимальную подачу насоса.
Важнейшим параметром насоса является его рабочий объем. Он во многом определяет габариты и эксплуатационные показатели насоса: подачу жидкости, полезную и потребляемую жидкости. На практике часто применяют насосы с переменными рабочими объемами. Такие насосы принято называть регулируемыми, а изменение рабочего объема насоса в процессе его работы – регулированием насоса (рис. 2.3).
Рис.2.3. Схема регулирования прямой (а), нулевой (б)
и обратной (в) подач пластинчатого насоса
Изменение подачи осуществляется за счет изменения эксцентриситета е в процессе работы насоса, что приводит к изменению рабочего объема. При смещении ротора влево можно не только уменьшить величину е, а следовательно, подачу насоса. При дальнейшем смещении ротора (см. рис. 2.3,в) можно изменить направление потока жидкости, не изменяя направление вращения вала.
Пластинчатые насосы обычно используют при давлениях 10-12 МПа. Ограничение величины давления обусловлено контактными нагрузками между пластинами и статором, а также односторонней нагрузкой ротора силами давления жидкости со стороны полости, находящейся под давлением р2. Силы давления нагружают подшипники и ограничивают срок их службы /4,8/.