35

Министерство образования российской федерации

Сибирский федеральный университет

В.В. Абрамов

Объемные гидромашины

Методические указания

Красноярск

2016 г.

Общие сведения

Объемная гидромашина – это гидроустройство, предназначенное для преобразования механической энергии рабочей среды в процессе попеременного заполнения рабочей камеры рабочей средой и вытеснения ее из рабочей камеры. Под рабочей камерой понимается пространство внутри объемной гидромашины, ограниченное рабочими поверхностями деталей, периодически изменяющее свой объем и попеременно сообщающееся с местами входа и выхода рабочей среды.

Объемные гидромашины весьма разнообразны по конструкции и назначению, поэтому в технических характеристиках различных видов гидромашин указываемые основные параметры несколько отличаются.

В технической характеристике насосов должны быть указаны следующие параметры:

• рабочий объем номинальный и минимальный;

• частота вращения номинальная, максимальная и минимальная;

• подача номинальная и минимальная;

• давление на выходе номинальное и максимальное;

• давление на входе максимальное и минимальное;

• максимальное давление дренажа;

• коэффициент подачи;

• КПД;

• масса (без рабочей жидкости);

• мощность номинальная;

• октавные уровни звуковой мощности;

• удельная металлоемкость (отношение массы к мощности).

Из указанных выше параметров основными для насосов являются номинальное давление на выходе, номинальная частота вращения и номинальный рабочий объем.

В технической характеристике гидромоторов указывают следующие параметры:

• рабочий объем номинальный и минимальный;

• частота вращения номинальная, максимальная и минимальная;

• расход номинальный и минимальный;

• давление на входе номинальное и максимальное;

• давление на выходе максимальное и минимальное;

• номинальный перепад давлений;

• максимальное давление дренажа;

• гидромеханический КПД;

• КПД;

• масса (без рабочей жидкости);

• номинальная мощность эффективная;

• крутящий момент номинальный и страгивания;

• момент инерции вращающихся масс;

• октавные уровни звуковой мощности;

• удельная металлоемкость (отношение массы к крутящему моменту).

Для гидромоторов основными параметрами являются: номинальное давление на входе, номинальный перепад давлений, номинальная частота вращения и номинальный рабочий объем.

Рабочий объем гидромашины – это сумма разностей наибольших и наименьших объемов всех рабочих камер гидромашины за один оборот ведущего вала или двойной ход ведущего звена. В технической характеристике рабочий объем удобно указывать в см³, так как его величина для гидромашин объемного гидропривода обычно находится в пределах от 1 до 10000 см³. В нерегулируемых насосах и гидромоторах рабочий объем имеет только одно номинальное значение, поэтому параметр “рабочий объем минимальный” опускается. Если в гидромашине рабочая жидкость вытесняется из рабочей камеры один раз за один оборот ведущего звена, её называют гидромашиной однократного действия, если два – гидромашиной двукратного действия, если более двух – насосом многократного действия.

Различают объемную и идеальную подачу насоса. Объемная подача насоса это отношение объема подаваемой насосом жидкости ко времени. Идеальная подача насоса это сумма объемной подачи и объемных потерь насоса. Идеальная подача для вращательных насосов определяется следующим образом:

Q_и=10^-6V₀n, (1)

где Q_и – идеальная подача насоса, м³/с; V₀ – рабочий объем насоса, см³; n – частота вращения ведущего вала насоса, с^-1.

Так как гидромоторы не создают поток жидкости, а потребляют его, у них термин объемная подача заменяется термином расход. Объемный расход гидромотора это отношение объема потребляемой гидромотором жидкости ко времени.

Наряду с давлением на выходе насоса и давлением на входе в насос важным параметром является давление насоса, величина которого определяется следующей зависимостью:

, (2)

где p – давление насоса, Па; p₂ и p₁ – давление на выходе и входе в насос, Па;  – плотность рабочей жидкости, кг/м³; v₂² и v₁² – скорость рабочей жидкости на выходе и входе в насос, м/с; g – ускорение свободного падения, м/с²; Z₂ и Z₁ – высота центра тяжести сечения выхода и входа в насос, м.

Мощностью насоса называют мощность, потребляемую насосом.

Номинальной мощностью насоса называют мощность, потребляемую насосом при номинальном давлении и номинальной подаче:

, (3)

где P_ном – номинальная мощность насоса, Вт; Q _ном– номинальная подача насоса, м³/с; p_ном – номинальное давление насоса, Па; _н – КПД насоса.

Также мощность насоса можно определить по формуле:

, (4)

где – крутящий момент на валу насоса, Н·м; ­­– угловая скорость вала насоса, рад/с.

Угловую скорость вала гидромашины определяют по следующей зависимости:

, (5)

где  – угловая скорость вала гидромашины, рад/с; n – частота вращения вала гидромашины, с^-1.

Полезная мощность насоса – это мощность, сообщаемая насосом подаваемой рабочей жидкости:

P_п=Q  p, (6)

где P_п – полезная мощность насоса, Вт; Q – подача насоса, м³/с.

КПД насоса определяют по следующей зависимости:

. (7)

Коэффициент подачи насоса определяется как отношение подачи насоса к его идеальной подаче:

, (8)

где K_Q –коэффициент подачи насоса. На величину коэффициента подачи насоса влияют многие факторы: герметичность насоса, давление, температура рабочей жидкости, сжимаемость рабочей жидкости, полнота заполнения рабочих камер, количество нерастворенного газа в жидкости и величина давления парообразования жидкости.

Объемный КПД гидромашины характеризует её герметичность и определяется следующим образом:

, (9)

где _об.гм – объемный КПД гидромашины; P_Q – мощность, потерянная с утечками, Вт.

Механический КПД гидромашины выражает относительную долю механических потерь и определяется следующим образом:

, (10)

где _мех.гм – объемный КПД гидромашины; P_мех – мощность, потерянная на механическое трение, Вт.

Гидравлический КПД гидромашины выражает относительную долю гидравлических потерь и определяется следующим образом:

, (11)

где _г.гм – гидравлический КПД гидромашины; P_г – мощность, затраченная на преодоление рабочей жидкостью гидравлических сопротивлений в гидромашине, Вт.

КПД гидромашины определяется как произведение объемного, гидравлического и механического КПД гидромашины:

(12)

где – соответственно объемный, гидравлический и механический КПД гидромашины.

Произведение механического и гидравлического КПД гидромашины называется гидромеханическим КПД:

. (13)

Крутящий момент на валу насоса зависит от его рабочего объема, давления и технического совершенства:

, (14)

Частоту вращения вала нерегулируемого гидромотора можно определить по следующей формуле:

, (15)

где n_м – частота вращения вала гидромотора, с^-1; – объемный КПД гидромотора; Q_м – расход рабочей жидкости гидромотором, м³/с; – рабочий объем гидромотора, см³.

Эффективная номинальная мощность гидромотора является произведением крутящего момента и угловой скорости вала, развиваемых гидромотором при номинальном расходе и номинальном перепаде давлений на нем:

, или (16)

, (17)

где P_м – эффективная номинальная мощность гидромотора, Вт; – КПД гидромотора; p_м – номинальный перепад давлений на входе и выходе гидромотора, Па.

Из формул 16 и 17 получим уравнение для номинального крутящего момента гидромотора:

, (18)

где M_ном – номинальный крутящий момент гидромотора, Hм; Q_ном – номинальный расход гидромотора, м³/с; p_ном – номинальный перепад давлений на входе и выходе гидромотора, Па; _ном – номинальная угловая скорость вала гидромотора, рад/с; _м – КПД гидромотора.

Учитывая уравнения 6, 13 и 15 уравнение для номинального момента гидромотора примет следующий вид:

. (19)

Лабораторная работа № 1

Изучение конструкции, принципа действия

и определение основных и вспомогательных

параметров поршневых гидромашин

Общие сведения

Поршневые и плунжерные насосы относятся к возвратно-поступательным насосам (рис. 1). В этих насосах рабочие органы совершают возвратно-поступательное движение, чем обеспечивают изменение объема рабочей камеры, попеременно сообщающейся с входом и выходом насоса. В качестве рабочих органов в данных насосах применяются поршни 1 или плунжеры 7, которые устанавливаются в цилиндры, выполненные в корпусе 6. Основное отличие плунжера от поршня в том, что длина плунжера много больше его диаметра. По характеру движения ведущего звена возвратно-поступательные насосы могут быть поступательно-поворотными (рис. 1, в), прямодействующими (рис. 1, г) или вальными (рис. 1, а, б, д, е, ж). Наиболее распространены вальные возвратно-поступательные насосы, у которых ведущее звено имеет вращательное движение.

В возвратно-поступательных насосах применяют клапанное (рис. 1, а, в, г, д, е, ж) или золотниковое (рис. 1, б) распределение рабочей жидкости.

Поршневые гидромашины с гидравлическим открытием клапанов являются необратимыми, то есть могут использоваться только в качестве насосов.

Поршневые гидромашины с механическим открытием клапанов или с золотниковым распределением являются обратимыми, то есть могут использоваться как в качестве насосов, так и качестве гидромоторов.

Вальные насосы, в зависимости от вида передачи движения к рабочим органам, бывают кулачковые (рис. 1, б, д, е, ж) и кривошипные (рис. 1, а).

Кулачок 8 имеет поверхность переменной кривизны относительно оси вращения. За счет этого при вращении кулачка плунжер 7 периодически толкается им в направлении рабочей камеры, при этом жидкость вытесняется на выход через напорный клапан 4. Обратное движение рабочего органа обеспечивается пружиной 9 (рис. 1, б, е) или механической связью с кулачком (рис. 1, ж), например, посредством кольцевой обоймы 11, одетой на фланцы подпятников 10. При этом объем рабочей камеры увеличивается и происходит ее заполнение рабочей средой через впускной клапан 5. В свою очередь, кулачковые насосы подразделяются по взаиморасположению ведущего звена и рабочих органов. В аксиально-кулачковом насосе (рис. 1, е) ось вращения ведущего звена параллельна оси рабочих органов или составляет с ними угол менее или равный 45⁰. В радиально-кулачковом насосе (рис. 1, б, д, ж) ось вращения ведущего звена перпендикулярна оси рабочих органов или составляет с ними угол более 45⁰. Кулачковая гидромашина может быть с внешним или внутренним кулачком. В гидромашине с внешним кулачком кулачок расположен вокруг поршней. В гидромашине с внутренним кулачком поршни расположены вокруг кулачка (рис. 1, б, д, ж).

В кривошипной гидромашине вращательное движение ведущего звена преобразуется в возвратно-поступательное движение рабочего органа 1 при помощи кривошипа 2 и шатуна 3.

По числу поршней (плунжеров) гидромашины могут быть одно-, двух-, трех- и многопоршневыми (плунжерными).

Поршневые машины по действию подразделяются на гидромашины одно-, двухстороннего действия и дифференциальные. В гидромашинах одностороннего действия (рис. 1, а, б, е, ж) жидкость вытесняется из замкнутой камеры при движении рабочего органа в одну сторону. В гидромашинах двухстороннего действия (рис. 1, в, д) жидкость вытесняется из замкнутых камер при движении рабочего органа в обе стороны. У дифференциальной машины (рис. 1, г) при движении рабочего органа в обе стороны жидкость заполняет одну камеру, а из другой вытесняется, при этом жидкость вытесняется на выход при движении рабочего органа только в одну сторону.

По расположению рабочих органов поршневые гидромашины подразделяются на односторонние, оппозитные, v-образные, звездообразные, однорядные, двухрядные, многорядные, горизонтальные и вертикальные.

У односторонней гидромашины (рис. 1, д) оси рабочих органов параллельны, а сами рабочие органы расположены по одну сторону от её привода. В оппозитной гидромашине (рис. 1, а) рабочие органы расположены на одной оси по обе стороны её привода. У v-образной гидромашины (рис. 1, б) рабочие органы расположены на двух пересекающихся осях по одну сторону от её привода. К звездообразным гидромашинам (рис. 1, ж) относятся гидромашины у которых рабочие органы расположены на нескольких пересекающихся осях. у однорядной гидромашины оси рабочих органов расположены в одной плоскости, у двухрядной – в двух параллельных плоскостях, у многорядной – в нескольких параллельных плоскостях. Детали поршневой гидромашины установлены в корпусе 6, который может быть составным либо моноблочным, так же в корпусе выполнены каналы для прохода жидкости.