Різновиди насосів, що застосовуються в гідроприводах, їх призначення, будова, принцип дії.

Насосом називають гідравлічну машину, призначену для створення потоку робочої рідини і надання йому енергії. В більшості конструкцій насосів енергія передається за рахунок механічної дії на робочу рідину робочих елементів насоса, які приводяться в рух від первинного двигуна. Як первинний двигун у верстатах використовують електродвигуни. Насос з електродвигуном утворюють насосний агрегат.

За способом витіснення робочої рідини насоси діляться на динамічні і об’ємні. В динамічних насосах потік створюється за рахунок відкидання робочої рідини лопастями робочого колеса. У відцентровому насосі робоче колесо з лопастями 2 (рис.15) приводиться в обертання електродвигуном. Робоча рідина відкидається відцентрової силою до периферії колеса усередині корпусу 1 і накопичується в зоні 4, де створюється підвищений тиск. Одночасно в центральній частині колеса утворюється зона пониженого тиску 3.

Т иск в зоні 4 перевищує атмосферний і потік робочої рідини відводиться через вихідний канал 5. В зоні 3 тиск нижчий атмосферного і робоча рідина з бака під дією атмосферного тиску поступає на вхід насоса, безперервно заповнюючи міжлопастеві проміжки. Існує багато конструкцій динамічних насосів, проте у всіх випадках робочі камери, що знаходяться між лопастями, постійно з’єднуються з входом і виходом насоса.

Я

4

Рис. 15

кщо на виході динамічного насоса зростає опір потоку (наприклад прикривають кран), то тиск в каналі 5 зростає, а витрата зменшується. При повному перекритті потоку тиск (напор) досягає максимальної величини і далі не підвищується, тому динамічний насос може працювати тривалий час в режимі внутрішньої циркуляції між зонами 3 і 4. Для динамічних насосів характерна робота з великими витратами і порівняно низькими тисками. В гідроприводах верстатів їх практично не застосовують. Відцентрові насоси застосовують у верстатах для подачі мастильно-охолоджувальної рідини (МОР) під низьким тиском.

У об'ємних насосах потік створюється за рахунок витіснення рідини з робочих камер, об'єм яких змінюється циклічно. Коли об'єм камери збільшується і створюється розрідження, вона сполучається з входом в насос і заповнюється робочою рідиною - відбувається «всмоктування». В іншій частині циклу камера сполучається з виходом з насоса, її об'єм зменшується і у вихідний канал насоса витісняється невеликий об'єм робочої рідини. При цьому загальний потік виходить як сума об’ємів, що витісняються по черзі зі всіх робочих камер. Ця частина циклу називається «нагнітанням». Об'ємні насоси є основним видом насосів гідроприводів верстатів.

КОНСТРУКЦІЇ ОБ'ЄМНИХ НАСОСІВ

З великої різноманітності конструкцій об'ємних насосів у верстатах знайшли вживання шестерінчасті, пластинчасті і поршневі насоси.

У шестерінчастому насосі із зовнішнім зачепленням (рис. 16) провідна шестерня 2 і ведена шестерня 5 розміщені з невеликими радіальними і торцевими зазорами усередині корпусу 1, закритого з торців бічними кришками (на малюнку не показані). Електродвигун приводить в обертання вхідний вал 3, сполучену з ним шестерню 2, а через неї - шестерню 5. Якщо шестерня 2 обертається в напрямі, показаному стрілкою, то в зоні, прилеглій до вхідного каналу 4, зуби шестерень виходять із зачеплення і в вивільнені об'єми западин шестерень, що звільнилися, завдяки розрідженню, що створилося в них, робоча рідина поступає по каналу 4 з бака під дією атмосферного тиску. Відбувається перша частина робочого циклу насоса – всмоктування рідини. При цьому канал 4 є всмоктуючим каналом насоса.

Рідина, що заповнила западини шестерень, переноситься потім в зону вихідного каналу 6, де зуби входять в зачеплення і відбувається друга частина циклу: робоча рідина із западин витісняється під тиском в канал 6 (нагнітальний канал насоса), і далі - через напірну магістраль гідросистеми до гідродвигуна.

Р

Рис. 16

обочими камерами в такому насосі є западини шестерень. З них робоча рідина витісняється один раз за оберт вхідного валу, тому насос називають насосом однократної дії. При безперервному обертанні шестерень робоча рідина, що витісняється, не може, як у відцентровому насосі, повернутися назад в канал 4 і, якщо перекрити канал 6, то тиск підвищуватиметься необмежено аж до руйнування насоса, тому до цього каналу повинен бути підключений запобіжний клапан, який обмежить зростання тиску.

Шестерінчасті гідромашини, як і більшість об'ємних гідромашин, володіють властивістю зворотності, тобто при підводі робочої рідини під тиском в один з каналів 4 або 6 і з'єднанні із зливом іншого з них, шестерні починають обертатися і машина перетворюється в гідромотор, до вихідного валу якого можна приєднувати корисне навантаження.

О б'єм робочої рідини, який витісняється насосом за один оборот вхідного валу, називають робочим об'ємом насоса, який вимірюють в кубічних сантиметрах.

Об'єм робочої рідини, що подається насосом в одиницю часу, називають об'ємною подачею і вимірюють в лiтрах за хвилину (л/хв.).

Найбільше поширення в гідроприводах верстатів набули пластинчаті насоси двократної дії (рис. 17). В корпусі 1 насоса встановлено нерухоме кільце статора 3 з внутрішньою поверхнею еліптичної форми. Усередині статора на вхідному валу розміщений циліндричний ротор 7, в пазах якого вільно переміщаються пластини (лопатки) 8. При обертанні вхідного валу пластини постійно піджимаються до внутрішньої поверхні статора. Пластини і статор виготовляють з високоякісних легованих сталей і гартують до високої твердості для зменшення їх зносу. Розміри пластин, пазів в роторі, ротора і статора по ширині (в напрямі оса валу) виконують з високою точністю. Робочими камерами насоса є простори між пластинами, обмежені по торцях бічними кришками (дисками).

Розглянемо, як змінюється об'єм робочої камери 2 за час одного обороту вхідного валу з ротором 7 і комплектом пластин 8. Якщо вал обертається за годинниковою стрілкою (як показано на малюнку), то в першій четверті обороту об'єм камери 2 плавно збільшується і камера заповнюється робочою рідиною, яка всмоктується в камеру 2 з вхідного каналу 5 через порожнину 4. В другій четверті обороту об'єм камери .2 зменшується і робоча рідина з неї витісняється через порожнину 9 і канал 10 у вихідний канал 13 насоса.

У третій четверті обороту об'єм камери 2 знову збільшується і, вона заповнюється робочою рідиною з каналу 5 через канал 6 і порожнину 11, а в четвертій четверті обороту об'єм камери 2 зменшується і робоча рідина витісняється через порожнину 12 у вихідний канал 13. Таким чином, в кожній робочій камері насоса за один оборот його валу скоюється по два цикли всмоктування і нагнітання, тому насос такого типу називається насосом двократної дії.

Пластинчаті насоси мають ряд переваг в порівнянні з шестерінчастими: подача робочої рідини відбувається плавніше, оскільки витіснення її походить відразу з декількох робочих камер, одночасно сполучених з вихідним каналом 13 через порожнини 9 і 12. В розглянутій конструкції пластинчастого насоса двократної дії створюються хороші умови для роботи підшипників, оскільки зони підвищеного тиску розміщуються діаметрально протилежно і радіальні навантаження урівноважені. Однак виготовлення пластинчастих насосів технологічно складніше.

Р

Рис. 18

озглянуті конструкції шестерінчастого і пластинчастого насосів двократної дії відносяться до нерегульованих насосів, у яких робоча подача при постійній частоті обертання вхідного валу також залишається постійною. Нерегульовані насоси відрізняються порівняльною простотою конструкції і відповідно меншою вартістю.

Проте такі насоси постійно нагнітають в систему робочу рідину з максимальною подачею, а оскільки використовується робоча рідина в різні моменти циклу роботи верстата з різними витратами, то частина робочої рідини, що подається насосом, постійно зливається під тиском через переливний клапан або інший регулятор тиску в бак. Це означає, що в гідросистемі з нерегульованим насосом мають місце підвищені втрати потужності, витраченої на привод насоса, які переходять в тепло і викликають додатковий нагрів робочої рідини.

Регульовані насоси мають змінну робочу подачу, яка міняється механізмом управління вручну або автоматично. Широке вживання знаходять регульовані насоси з управлінням по тиску. Розберемо принцип роботи такого насоса на прикладі регульованого пластинчастого насоса однократної дії з управлінням по тиску (рис. 18).

Кільце статора 2 може переміщатися усередині корпусу 1 в поперечному напрямі щодо опор 10 і 16. Положення осі вхідного валу і встановленого на ньому ротора 3 з набором пластин 4 в просторі не міняється, а при зсуві статора 2 між віссю його внутрішньої циліндрової поверхні і віссю вала утворюється ексцентриситет е.

Механізм управління виконаний у вигляді штовхача 5, пружини 7 і регулювального гвинта 8, розміщених в стакані 6. Під дією зусилля пружини штовхач прагне перемістити кільце статора 2 вліво до упору в гвинт 13, тобто збільшити ексцентриситет. При обертанні валу насоса, а разом з ним ротора 3 з пластинами 4 за годинниковою стрілкою (як показано на малюнку), об'єм робочої камери 9 в нижній половині внутрішньої порожнини насоса плавно збільшується і робоча рідина поступає в насос з вхідного каналу 11 через розподільне вікно 12 серпоподібної форми.

П ри переході у верхню частину порожнини робочі камери від'єднуються від вікна 12 і з'єднуються з вікном 14, об'єм робочих камер плавно зменшується і робоча рідина витісняється через вікно 14 у вихідний канал 15 насоса. Робочі вікна орієнтовані так, що рівнодіюча сил тиску робочої рідини на внутрішню поверхню кільця статора прагне перемістити його в положення нульового ексцентриситету, тобто зменшити робочу подачу насоса. При цьому сили тиску збільшуються пропорційно робочому тиску на виході з насоса (в каналі 15), тому зменшення робочої подачі насоса починається з такого тиску, при якому рівнодіюча сил тиску стає більше сили натягнення пружини 7.

Регулюючи натягнення пружини гвинтом 8, можна настроювати на тиск, досягши якого насос автоматично починає зменшувати подачу рідини до такої величини, щоб тільки підтримувати у системі налагоджений тиск. При цьому потужність, споживана насосом, зменшується і одночасно зменшується нагрів робочої рідини. Гвинт 13 є упором для статора в положенні максимального ексцентриситету і служить для настройки максимальної робочої подачі насоса.

У радіально-поршневому насосі (рис. 19) робочі камери 9 утворені всередині ротора 5 в радіальних розточках, в яких вільно переміщаються поршні (плунжери) 4. Ротор з плунжерами приводиться в обертання електродвигуном. Розподільна цапфа 7 нерухома. При обертанні ротора поршні 4 постійно піджимаються до внутрішньої поверхні блоку статора 2, який може переміщатися усередині корпусу 1 механізмами управління 8 і 12. Ці механізми можуть встановлювати статор в нульове положення; коли його вісь співпадає з віссю обертання ротора, або зміщувати статор вліво або вправо від нульового положення на величину ексцентрисітета е.

Хід кожного поршня за один оборот рівний подвоєному ексцентриситету, тому при середньому нульовому положенні статора (е = 0) подача насоса рівна нулю і максимальна при максимальних зсувах статора від нульового положення. На відміну від розглянутого регульованого пластинчастого насоса насос даної конструкції дозволяє не тільки регулювати подачу, але і змінювати напрям потоку робочої рідини на протилежний, тому він відноситься до насосів з реверсивним потоком (реверсивним насосам).

У показаному положенні (див. рис. 19) статор 2 зміщений на ексцентриситет е вліво. При обертанні ротора 5 за годинниковою стрілкою в нижній половині обороту поршні 4 видвигаються, об'єми робочих камер 9 збільшуються і рідина поступає в ці камери з лінії 11 через отвори і проріз 10 в розподільній цапфі 7. У верхній половині внутрішньої порожнини насоса поршні віджимаються всередину ротора, об'єми робочих камер зменшуються і робоча рідина під тиском нагнітається через проріз 10 і отвори в цапфі в лінію 3.

Таким чином, при зсуві статора ліворуч від нульового положення всмоктування відбувається з лінії 11, а нагнітання - в лінію 3. Якщо ж статор буде зміщений механізмами управління вправо від нульового положення, то у верхній половині порожнини поршні висуватимуться, а в нижній - віджиматися всередину ротора.

При цьому робоча рідина поступатиме в робочі камери через проріз 6 і виштовхуватися через проріз 10. Відповідно лінія 3 стане лінією всмоктування, а лінія 11 - нагнітальною гідролінією, тобто перемиканням статора в ту або іншу сторону від нульового положення можна змінювати напрям потоку робочої рідини в робочих гідролініях насоса. Регульовані насоси з реверсивним потоком використовують в гідроприводах великої потужності, в основному в протяжних верстатах.

Окрім розглянутих конструкцій насосів, у верстатах широко застосовують також аксіально-поршневі регульовані насоси з управлінням по тиску і реверсивні з електро-гідравлічним управлінням. Пристрій основного робочого вузла цих насосів аналогічно аксіально-поршневим гідромоторам. На відміну від цих гідромоторів, в регульованих аксіально-поршневих насосах плунжери спираються на похилу шайбу.

Зміною кута α нахилу шайби досягається зміна ходу плунжерів і відповідно зміна робочої подачі насоса. Нейтральне положення (α = 0) похилої шайби відповідає нульовій подачі насоса. Зміною напрямку нахилу шайби щодо нейтрального положення (±α) проводиться реверсування потоку робочої рідини.

Практично всі об'ємні гідромашини володіють властивістю оборотності, тобто можуть працювати в режимі насоса і гідромотора. Проте на практиці використовувані у верстатах гідромашини мають яке-небудь одне призначення, хоча багато внутрішніх вузлів і деталі в однотипних насосах і моторах уніфіковано.