1.2. Классификация и принцип действия огм
Объемные насосы делят на два класса:
1. Поршневые – с возвратно-поступательным движением вытеснителя (поршня или плунжера) и клапанным распределением жидкости.
2. Роторные – с вращательным движением вытеснителей (поршней, плунжеров, зубьев шестерен, лопаток или пластин) и с бесклапанным распределением жидкости. Они наиболее широко применяются в приводах мобильных машин
Принцип действия ОГМ (объемных гидравлических машин) основан на попеременном заполнении и опорожнении ограниченных пространств (рабочих камер), периодически сообщающихся с местами входа и выхода РЖ (рабочий жидкости). При работе ОГМ изменение энергии РЖ происходит в основном за счет гидростатической составляющей полного напора, что приводит к значительной (десятки МПа) разнице давлений во входящем и выходящем потоках.
Рабочие камеры ОГМ образуются различными конструктивными парами, например: поршень-цилиндр; зуб-впадина; смежные витки винтовых поверхностей и др. При увеличении объема рабочих камер у насосов происходит процесс всасывания, а у гидродвигателей – нагнетания. При уменьшении объема осуществляется процесс нагнетания у насосов и слива у гидродвигателей.
Попеременное увеличение и уменьшение объема рабочих камер, а также их замыкание и перенос в пространстве составляют полный рабочий цикл ОГМ. Процессы всасывания и нагнетания РЖ осуществляются с помощью распределительных устройств, обеспечивающих соединение рабочих камер с магистралями гидросистемы.
В ОГМ применяют три типа распределительных устройств: клапанные, клапанно-щелевые (крановые) и золотниковые. Последние выполняют в виде цапф, торцовых распределителей с плоской или сферической рабочей поверхностью, а также в виде цилиндрических золотниковых распределителей.
2. Аксиально-поршневые гидромашины
АПГМ (аксиально-поршневые гидромашины) относятся к классу поршневых роторно-поступательных ГМ, которые разделяются на радиально-поршневые и аксиально-поршневые.
Аксиально-поршневые и аксиально-плунжерные ГМ имеют наименьшие габаритные размеры, получили наиболее широкое применение в мощных и точных ГП вращательного движения. Они работают при высоких давлениях, допускают форсирование по давлению, быстроходны и могут работать на режимах с высоким КПД. Эти качества АПГМ обеспечивают возможность получения в них наибольших ускорений инерционной нагрузки, наименьших моментов инерции вращающихся частей и работы на самой высокой частоте вращения при заданной мощности.
В АПГМ поршни совершают возвратно-поступательное движение в осевом направлении, их разделяют на машины с наклонным блоком (рис.2.1-2.3 и рис. 4.2; 4.3) и с наклонным диском (рис. 2.4; 2.5 и рис. 3.3; 4.4).
2.1. Аксиально-поршневые гидромашины с наклонным блоком
В ГМ (рис. 2.1) ось вращения блока цилиндров 8 наклонена к оси вращения вала 11.
В ведущий диск 14 вала заделаны сферические головки 16 шатунов 18 поршней 20. Поэтому поршни при вращении вала совершают возвратно-поступательное движение в цилиндрах. Торец 5 блока с окнами 2 цилиндров прижат силами давления жидкости на дно 1 цилиндров к торцу 3 распределителя 6. Прилегание торцов обеспечивается свободным покачиванием блока на подшипнике 7. Первоначальный прижим поверхностей производит пружина 24.
Синхронизация вращения блока цилиндров и вала осуществляется карданным валиком 23, который передает также момент, необходимый для преодоления трения блока о распределитель. Подобные конструкции иногда называют – аксиально-поршневые машины с двойным несиловым карданом.
Рис. 2.1. Аксиально-поршневая гидромашина переменной
производительности с наклонным блоком цилиндров:
1 - дно цилиндров; 2 - окна цилиндров; 3 - торец распределителя;
4 - окна распределителя; 5 - торец блока; 6 - распределитель; 7, 10, 12 - подшипники; 8 - блок цилиндров; 9, 15 - клапаны; 11 - вал; 14 - ведущий диск; 16 - сферические головки шатунов 18; 17 - цапфы; 18 - шатуны; 19 - лапы люльки 25; 20 - поршни; 21 - патрубки; 22 - гидроцилиндры вспомогательной гидросистемы (см. нижний вид); 23 - карданный валик; 24 - пружина; 25 – люлька
В некоторых конструктивных разновидностях машин с наклонным блоком кардан отсутствует – аксиально-поршневые машины бескарданного типа (см. рис. 2.2). В них блок цилиндров увлекается во вращение шатунами 10, давящими на края поршней 8, выполняемых при этом удлиненными.
Рис. 2.2. Аксиально-поршневая гидромашина
с наклонным блоком цилиндров:
1 - вал; 2 - ведущий диск; 3 - пружина; 4 - ось вращения блока цилиндров; 5 - торец распределителя; 6 - торец блока цилиндров; 7 - распределитель; 8 - поршень; 9 - сферический шарнир; 10 - шатун; 11 - втулка; 12 - головка шатуна; 13 - подшипники; О - камера отвода; П - камера подвода; dп – диаметр поршня; Dц - диаметр расположения цилиндров в блоке; Dр - диаметр расположения точек контактов головок поршней с поворотной шайбой; hп - ход поршня
В машине с наклонным блоком бескарданного типа (рис. 2.2) ось 4 вращения блока цилиндров наклонена к оси вращения вала 1. В ведущий диск 2 заделаны сферические головки 12 шатунов 10, закрепленных также при помощи сферических шарниров 9 в поршнях 8. При вращении вала 1 и блока цилиндров вокруг своих осей поршни 8 совершают относительно цилиндров возвратно-поступательное движение. Через распределитель 7 РЖ поступает в рабочие камеры цилиндров и затем нагнетается в гидромагистраль.
Синхронизация вала и блока цилиндров в АПГМ осуществляется шатунами 10, которые, поочередно проходя через положение максимального отклонения от оси поршня 8, прилегают к его юбке и, давя на нее, сообщают вращение блоку цилиндров. Для этого юбки поршней 8 выполнены длинными, а шатуны 10 снабжены точными конусными шейками.
В такой АПГМ осевая сила направлена по оси шарнирно опертого шатуна 10, который отклоняется от оси 4 на малый угол β и поэтому образует невысокую боковую составляющую, которая определяет малые силы трения о стенку цилиндра.
Вращающийся узел ГМ с наклонным блоком цилиндров имеет существенный недостаток. Сферические головки 12 шатунов 10 опираются на ведущий диск 2, представляющий собой консольный конец вала 1. Приложенные к диску осевые силы и консольные боковые силы существенно нагружают подшипники 13, что приводит к громоздкому подшипниковому узлу.
Высокая нагрузка сферических головок 12 шатунов 10, а также несущая способность подшипников 13 ограничивают максимальное давление, допускаемое при работе таких машин.
На рис. 2.1 изображена машина переменной производительности. В ней блок цилиндров 8 помещен в люльке 25, способной вращаться в цапфах 17. Через лапы 19 люльки и цапфы 17 окна 4 распределителя соединяются с патрубками 21 и далее с трубами системы. При изменении угла наклона люльки изменяются ход поршней, рабочий объем и подача машины.
Отклонение люльки в противоположную сторону от оси машины позволяет изменять направление подачи. Поворот люльки осуществляется обычно секторной зубчатой передачей, вращаемой валиком, пропущенным через стенку корпуса, а при дистанционном управлении – гидроцилиндрами 22, питаемыми от вспомогательной гидросистемы. Силы давления жидкости на дно поршней 20 воспринимаются шатунами, опертыми наклонно на ведущий диск 14. Сумма сил давления шатунов создает на валу радиальную и осевую силы, воспринимаемые подшипниками 10 и 12, и крутящий момент. В гидромоторе крутящий момент преодолевает сопротивление приводимой машины.
Регулируемый гидромотор, изображенный на рис. 2.3, имеет распределитель 6, скользящий по цилиндрическому пазу 1 в крышке 2 корпуса.
Рис. 2.3. Регулируемый аксиально-поршневой гидромотор
с наклонным блоком цилиндров:
1 - цилиндрический паз; 2 - крышка корпуса; 3 - полость; 4 - поршень; 5 - гидроцилиндр; 6 - распределитель; 7 - блок цилиндров
Перестановка распределителя 6 и, следовательно, изменение угла отклонения блока 7 цилиндров производится поршнем 4 управляющего гидроцилиндра 5. Угол отклонения уменьшается с 25 до 7о по мере снижения давления в полости 3, присоединенной к линии Р2 высокого давления ГП. Давление снижается при уменьшении момента сопротивления на валу гидромотора, что при таком регулировании и неизменности подводимого к гидромотору расхода Q приводит к возрастанию частоты вращения выходного вала. Таким образом, регулируемый гидромотор позволяет наилучшим образом использовать мощность двигателя при изменяющемся моменте нагрузки. Минимальный угол отклонения блока цилиндров в гидромоторе ограничен из-за возможности самоторможения (заклинивания рабочих органов) при малых β.