книги из ГПНТБ / Башта, Т. М. Объемные насосы и гидравлические двигатели гидросистем учебник

Относительная скорость поршня аксиальных насосов обычно не превышает при непрерывной работе насоса 3—3,5 м/с и при периодической — 5 м/с.

Ускорение поршня. Ускорение любой точки поршня состоит из ускорений относительно цилиндра и вращательного вместе с последним движений, а также кориолисового ускорения (по­

Для соблюдения этого условия значение sin а должно рав­ няться нулю, что соответствует крайним положениям поршня

(а, = 0° и а 2 = 180°):

/отн max = ± <&RASin у.

Рассмотренное ускорение должно учитываться при расчете не­ разрывности потока жидкости во всасывающей трубе и в самом цилиндре.

Ускорение любой точки поршня во вращательном (переносном) движении направлено к центру вращения цилиндрового блока и равно

где р — расстояние от выбранной точки до оси цилиндрового

блока.

Для точек, находящихся на оси поршня (р = R6)

На рис. 59, в показаны кривые пути (х), скорости (уотн) и ус­ корения (/отн) поршня насоса с наклонным блоком, построенные по приближенным уравнениям (при условии пренебрежения

190

углом между осью штока и осью поршня, т. е. при конечной длине штока)

х — sin у (1 — cos ©О;

v0TH= х = -^Г = Яд® Sin у sin at;

/ о т н = X= -di*= КУ Sin Т C0S Ю*.

где Дд — радиус приводного диска (фланца) (см. рис. 57, а и

59, б).

При более точных расчетах учитывают влияние непараллель­ ное™ штоков и асинхронность карданной связи. С учетом этого получаем более сложные уравнения. При практических инженер­ ных расчетах ограничиваются приведенными выше упрощенными уравнениями.

Силы инерции поршня. Силы инерции массы т поршня насоса с наклонным блоком в относительном движении в цилиндре мо­ жно вычислить по уравнению

расчете привода последних (упругости пружин и давления подпиточных насосов).

Сила ЦТц инерции массы т поршня во вращательном (перенос­ ном) движении (центробежная сила) рассчитывается по урав­ нению

Жц = m/ntp = mpco2.

Допустив, что р (расстояние от оси вращения до центра тяжести поршня) равно радиусу окружности, описываемой осью цилиндра (последнее справедливо лишь для насоса, показанного на рис. 57, б), можно написать

Wlx= mR6a \

Для насосов с наклонным блоком (рис. 59, а) величина р является переменной, однако при практических расчетах И7Ц

принимают р = ~Об~ .

y

Наличие этой силы является специфической особенностью ра­ боты в аксиально-поршневой машине пары поршень—цилиндр: эта пара вращается вокруг оси блока. Центробежная сила поршня (а для схемы на рис. 59, a — и шатуна), возникающая при вра­ щении блока, нагружает поверхность цилиндра, причем величина этой силы соизмерима с силой, обусловленной наклоном шатуна

191

к оси цилиндра. Вторым важным следствием вращательного движения блока цилиндров является эффект центрифугирования частичек загрязнителя жидкости (масла) в цилиндрах, приводя­ щий к тому, что на поверхности цилиндра осаждаются загрязняю­ щие частицы, повышающие износ пары.

Помимо того, эта сила будет воздействовать на механизм ре­ гулирования насоса с цилиндровым блоком (рис. 59, а), создавая момент, действующий в сторону увеличения угла у наклона люльки. Момент этой силы относительно оси поворота цапф а

получим приближенное выражение момента от действия центро­ бежных сил:

параллельно оси блока, а совершать качательное (колебательное) движение, что отразится на кинематике движения поршней. Эти колебательные движения шатунов обусловлены следующим. Проекция окружности, на которой расположены на наклонном диске центры сферических опор шатунов, на плоскость, перпенди­ кулярную оси цилиндрового блока, представляет собой при угле наклона диска у > 0 эллипс. Большой радиус эллипса равен

обычно радиусу Rr — окружности заделки шатунов в диске,

а малый радиус г < /? д зависит от угла у (рис. 60, а). В соответ­ ствии с этим центры заделок сферических опор шатунов в диске

192

будут перемещаться в этой плоскости по эллипсу, а центры порш­

ней при условии £>д = £>б — п о окружности радиусом R 6= — ■.

Следовательно, при постоянной угловой скорости ведущего вала будем иметь переменную (колебательную) в пределах каждого оборота вала угловую скорость ведомого звена. Это угловое рассогласование влияет на закон перемещения поршней в цилинд­ рах, а следовательно, и на закон подачи (увеличивает пульсацию подачи).

Из рис. 60, а следует, что для текущих значений углов пово­ рота цилиндрового блока а = соt относительно нейтральной

Рис. 60. Схемы к расчету дезаксиала машины

оси, равных 90 и 270°, угловые скорости ведомого и ведущего валов выравниваются; максимальное рассогласование этих ско­ ростей имеет место при а = 0 и а = 180°.

Для уменьшения влияния на равномерность подачи насоса наклона осей шатунов к осям цилиндров диаметр £)д окружности расположения центров сферических опор шатунов в наклонном диске часто выполняют больше диаметра D6 окружности осей

шатунов в наклонном диске и диаметр окружности центров ци­ линдров в блоке.

Совмещение окружности радиуса R6 центров осей в блоке цилиндров и эллипса с большим радиусом R3n, представляющего собой проекцию окружности заделки сфер шатунов в наклон­ ном диске на плоскость, перпендикулярную оси блока, для слу­ чая £>д > D6 показано на рис. 60, б.

Величина h = R6 — R3nmln (где R3nmln — малый для данного угла у наклона диска радиус эллипса), определяющая для дан­ ных значений RK и R6 и длины шатуна I (см. рис. 59, а) угол р отклонения шатуна, для углов а = о>^ = 0 и а = 180° будет

h = R6 — Яд cos у.

В соответствии с этим максимальное значение угла |3 опреде­ лится (рис. 60, в)

sin р = y — R6 — /?д cos у

или

i = arcsin Re — R* cos у

где l — длина шатуна (между центрами заделок).

Для углов поворота вала а = w/, равных 90 и 270°, имеем

Для максимального снижения колебаний шатунов значения /?д и R6 должны быть подобраны так, чтобы обеспечить условие

1 - f cos y

В соответствии с этим наиболее рациональный дезаксиал на­ соса будет при условии

Dq 1 + COS Ymax

При дезаксиале, удовлетворяющем этому условию, колеба­ тельное движение поршней в цилиндрах практически обращается

внуль и относительное движение их в цилиндрах приближается

кмоногармоническому. Следовательно, для каждого значения угла наклона у существует свое значение оптимального дезаксиала /?д, при котором дополнительного движения поршней нет. Это позво­ ляет в насосах с нерегулируемой подачей (у = const) полностью устранить это дополнительное движение. Однако для гидромашин

срегулируемой подачей не представляется возможным выбрать из-за переменности значения у такое значение дезаксиала, при котором дополнительная подача обращалась бы в нуль. Ввиду этого для этих машин выбирают значение дезаксиала таким, чтобы обусловленное им дополнительное перемещение Ah поршня при наибольшем возможном угле у было равно по абсолютной вели­ чине максимальному изменению A/iraax, однако отличалось от

него по знаку.

Для насосов с у = 30° выбирают k — 1,055 -f-1.072 и для ги­ дромоторов с у — 30° — k = 1,072.

194

§ 47. Механизм карданной связи

Типы карданов. В большинстве конструкций аксиально-порш­ невых насосов с наклонным блоком кинематическая и силовая связи ведущего и ведомого валов осуществляются с помощью оди­ нарного (рис. 61, а; см. также рис. 62, а) или двойного (рис. 61, б; см. также рис. 57, а) карданов. Первый тип карданов (рис. 61, а) обычно выполняет одновременно функции силовой и кинемати­ ческой связи, второй тип (рис. 62) осуществляет кинематичес­ кую связь, будучи нагружен лишь моментом трения блока цилинд-

Рис. 61. Кинематические расчетные схемы карданного механизма

ров, а также моментом инерционных сил. Первый тип кардана принято называть силовым, второй — несиловым.

Одинарный (асинхронный) кардан (рис. 62, а) представляет собой универсальный шарнир с двумя степенями свободы, обеспе­ чивающий возможность передачи вращения между двумя ва­ лами, оси которых'пересекаются под некоторым углом. Равномер­ ное вращение входного вала 1, связанного грибковыми шпонками 9 с цилиндровым блоком 5, преобразуется здесь в поступательное движение поршней в цилиндрах блока. Такое преобразование дви­ жения происходит при помощи связанной с блоком через кардан 6 наклонной (качающейся) шайбы (диска) 2 с шарнирно заделанными

вней шатунами 3 поршней 4. Входной (приводной) вал 1 (и соот­ ветственно цилиндровый блок), а также упорный диск 2 вращаются

вэтой схеме вокруг разных осей, наклоненных одна относительно другой на угол у. Возможность вращения этих деталей вокруг разных осей обеспечивается наклонным диском 7, качающимся при вращении вала вокруг осей 6 цапф, помещенных во втулках, жестко закрепленных на упорном (наклонном) диске.

Благодаря применению грибковых шпонок цилиндровый блок имеет некоторую возможность самоустанавливаться (выбирать неперпендикулярность поверхности распределителя относительно торца цилиндрового блока).

Распределитель в большинстве случаев выполняется за одно целое с крышкой 10. Первоначальный прижим блока к распреде­ лителю обеспечивается пружиной 8. Во время работы гидрома­ шины блок прижимается к распределителю гидростатическими усилиями (см. стр. 225).

Благодаря наличию кинематической связи упорного диска 7 с головками шатунов 3, основная часть приложенного к валу 1 внешнего момента затрачивается на поворот диска через асин­ хронный кардан, ввиду чего машины этого типа называются ма-

196

шинами с силовым карданом, хотя строго говоря это название от­ носится не к особенностям самого кардана, а лишь к кинемати­ ческой схеме самой машины. В машине этой схемы прочность и конструкция кардана должны быть рассчитаны на передачу всего рабочего момента (см. стр. 173). Момент же, затрачиваемый на преодоление потерь, связанных с вращательйым движением цилиндрового блока 5 и передаваемый блоку через шпонки 7, составляет небольшую долю от момента, нагружающего кардан.

tjJmLn —OSfCOnst

Рис. 63. Графики изменения угловой скорости со2 ведомого вала при постоян­ ной скорости c0 j ведущего вала (а) и зависимости угла рассогласования Д<р от угла ф поворота вала (б)

Кинематика одинарного (асинхронного) кардана. Одинарный кардан, который применяется в аксиальных насосах с передачей силовых нагрузок (рис. 62 и 63, см. также рис. 61, а), обладает свойством асинхронности, т. е. мгновенная угловая скорость дви­ жения ведомого вала (в данной схеме — наклонного диска 7) при равномерном вращении ведущего вала 1 (и соответственно — цилиндрового блока" 5) будет неравномерной. Блок цилиндров вращается с угловой скоростью, основная составляющая которой равна скорости вращения вала, на которую накладываются со­ ставляющие, обусловленные этой асинхронностью.

Кинематика рассматриваемого кардана (см. рис. 61) описы­ вается известной из курса механики зависимостью между теку­ щим углом ф! поворота ведущего (приводного) вала 1 (на рис. 62 —

где ф-t и ф2— угловые координаты ведущего и ведомого валов;

у— угол между осями (цилиндрового блока и наклон­ ной шайбы).

197

ным приводом приходится ограничивать угол у и скорость вра­ щения вала.

Вследствие некоторой громоздкости карданной связи, гидро­ машины, в которых для передачи крутящего момента между валом и кривошипным диском применен силовой карданный механизм, строятся, начиная лишь с определенных размеров (мощностей).

Двойной (несиловой) кардан. Для устранения рассмотренной асинхронности угловых скоростей ведущего и ведомого валов при­ меняют двойной универсальный кардан (шарнир) с двумя цент­

рами качения (рис. 64, см. также рис. 61, б). Этот кардан состоит из двух последовательно соединенных одинарных карданов. При условии, что оси входного и выходного валов образуют с осью

а оси их шарниров параллельны и лежат в одной плоскости, этот кардан практически обеспечивает синхронность движения ведо­ мого и ведущего валов. Последнее обосновано тем, что цикличес­ кие колебания угловых скоростей двух карданов находятся в противофазе, благодаря чему можно обеспечить фактически полную компенсацию пульсаций угловой скорости ведомого вала. Иначе говоря «искажение» скорости в одном из шарниров практи­ чески компенсируется таким же «искажением», но с обратным знаком во втором шарнире, в результате чего ведомый вал (в дан­ ном случае — цилиндровый блок) будет вращаться почти с той же угловой скоростью, что и ведущий вал (вал насоса).

В действительности имеет место некоторая асинхронность,