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

Предварительный выбор основных размеров насоса ведется по рабочему объему q, пользуясь следующими практическими соотношениями:

Рис. 98. Схемы регулирования подачи пластинчатого насоса

280

и зазора с между статором и ротором с учетом толщины роторной втулки и ра­

Нагрузка давления жидкости на валик ротора

Р = pDb = 70 -28 = 1960 кгс.

46. Равномерность (пульсация) подачи

При расчете подачи было принято допущение, что рабочая высота h пластины при проходе ею всего участка перемычки равна 2е. В действительности же, поскольку центр Ох вращения ротора смещен относительно центра 0 2 направляющего кольца (статора), который представляет круг диаметром D — 2R (см. рис. 96, б), принятое условие h =2е будет справедливо лишь для мгновенного (среднего относительно разделительной пере­ мычки) положения пластины, в иных же положениях ее рабочая высота будет переменной и меньше 2е.

Из рассмотренных схем (см. рис. 93—96) следует, что кинема­ тика пластинчатой гидромашины построена, как и кинематика поршневых машин, на основе ранее рассмотренного кривошипного механизма (см. рис. 42). При этом механизме перемещение рабочего элемента соответствует приращению в пределах от pmln до Ршах переменного радиуса р, представляющего собой расстояние от оси, проходящей через центр Ох пластинчатого ротора, *до окружности касания пластин со статором:

p = ecos<p + tf — + j^-cos 2q>.

Следовательно

Q = h е cos (at -j-

281

до оси последней.

Из треугольника Охагс расчетной схемы, представленной на рис. 96, б, следует, что текущее значение рабочей высоты /Г пла­

где R — радиус статора;

е— эксцентриситет насоса;

р— текущая радиальная координата пластины (текущее значение расстояния точки с контакта пластины со статором от

оси вращения ротора 0 Х);

/Г = R cos р — е cos ф — (R — ё) = е (1 —

— cos ф) + R (cos Р — 1).

соответственно cos р 1, можно упрощенно написать

h' = е (1 — cos ф).

Следовательно, значение h' и соответственно подача изме­ няется так же по закону синуса, т. е. изменение объема в процессе вытеснения жидкости одной пластиной носит, как и у роторных поршневых насосов (см. стр. 116), синусоидальный характер.

График подачи насоса с четным числом пластин и нулевым перекрытием в форме кусочно-непрерывной функции, составлен­ ной из косинусоид, показан на рис. 100 в виде кривой abcdef, построенной в предположении, что момент вступления в работу очередной пары пластин совпадает с моментом выхода предыду­ щей пары (с моментом выхода за пределы окна), что соответст­ вует нулевому перекрытию (а = (3). При положительном же пере­ крытии (а > Р) (см. рис. 93) очередная пара пластин вступит в работу лишь после того, как предыдущая пара выйдет за пре­ делы окна, т. е. откроет замкнутый ею объем жидкости. Иначе

282

говоря замкнутый в этом случае между двумя пластинами объем (на рис. 93 отмечен точечной штриховкой) будет отсечен на не­ котором угле поворота ротора как от окна всасывания, так и окна нагнетания (см. рис. 97).

Поэтому участок Ьс кривой подачи (рис. 100) должен быть продлен до некоторой точки с' (показано пунктирной линией), ввиду чего в момент выхода рабочей пары пластин за пределы окна подача перейдет скачком на новый участок cde. Ввиду того, что подача QTmln при этом уменьшится, коэффициент неравно­ мерности (пульсации) подачи повысится. Кроме того, при этом давление в замкнутом между двумя пластинами объеме может существенно измениться.

Нетрудно видеть, что обусловленная этим пульсация подачи будет тем меньше, чем больше пластин z ^чем меньше значение Щ- ^ .

При нечетном числе пластин равномерность подачи повышается (амплитуда колебания подачи уменьшается).

Расчеты показывают, что в насосе с числом пластин 17 и 12 колебания подачи, обусловленные изменением рабочей высоты пластины, соответственно равны 1,7 и 3%.

Помимо рассмотренных причин, нарушающих равномерность подачи, это нарушение вызывается также тем, что некоторая часть вытесняемой жидкости расходуется на компенсацию ее сжатия до рабочего давления в камерах при проходе их из по­ лости всасывания в полость нагнетания. Влияние сжатия жидкости на равномерность подачи обусловлено следующим: при соедине­ нии замкнутых камер, заполненных жидкостью под давлением всасывания, с окном нагнетания, в эти камеры будет поступать из окна некоторое количество жидкости, необходимое для повы­ шения давления в камерах до давления нагнетания. Это вызо­

чечной штриховкой) из полости всасывания в полость нагнетания происходит за ничтожное малое время, исчисляемое миллисе­ кундами, обратный поток из полости нагнетания вызовет высо­ кие «забросы» давления в камере, обусловленные гидравличес­ кими ударами, а также — пульсации давления на выходе насоса.

Уровень пульсации подачи и соответственно «забросов» да­ вления зависит при всех прочих равных условиях от объема ка­ меры и сжимаемости жидкости (расчеты, связанные с этим см.

на стр. 290).

Колебания подачи и ударные явления, обусловленные обрат­ ным потоком жидкости в камеру из полости нагнетания, можно частично снизить выполнением на перевальной перемычке щеле­ видных прорезей малого сечения (см. рис. 97), с помощью которых достигается плавное соединение камеры с полостью нагнетания (см. также стр. 219).

283

47.Нагрузка пластин

Вбольшинстве конструкций насосов пластины прижимаются

кстатору давлением жидкости, подведенным под ее торец; в ре­ зультате возникает повышенное трение пластин о статор. Уси­

лие, с которым пластина, находящаяся в полости всасывания (с нулевым давлением), поджимается к статору, в этом случае будет

где р — давление жидкости в камере под нижним торцом пла­ стины;

s u b — толщина и длина пластины (ширина ротора). Пластины, находящиеся в полости нагнетания, будут пол­

ностью разгружены от радиальных сил давления жидкости, а пла­ стины, разделяющие полости всасывания и нагнетания, будут разгружены частично. Практически при расчетах нагрузки от давления жидкости, действующего на пластину в положений ее между полостями всасывания и нагнетания, условно относят к площади, равной 1/3 произведения толщины пластины на ее длину:

P = -^-pbs.

Для повышения герметичности пластины часто снабжаются свободно посаженным в гнездо уплотнительным цилиндрическим элементом 6, кривизна внешней поверхности которого соответ­ ствует кривизне статорного кольца (см. рис. 93).

§ 65. Пластинчатые насосы двукратного действия ,

48. Основы конструкции

Описанные выше пластинчатые насосы одинарного (однократ­ ного) действия в основном применяются для гидросистем, не требующих высоких давлений (до 4—5 МПа или 40—50 кгс/см2). В гидроприводах машинного регулирования их применяют пре­ имущественно в качестве вспомогательных насосов (насосов под­ питок и пр.).

Недостатком пластинчатых гидромашин является трудность герметизации вытеснителей, особенно герметизации со стороны, торцов, а также большая нагрузка на ось ротора и пластины от сил давления жидкости. Поэтому в практике распространены нерегулируемые пластинчатые насосы двукратного (и реже, — четырехкратного) действия, которые обладают более высоким рабочим объемом и к. п. д.

Преимуществом насосов дву- и четырехкратного действия является уравновешенность радиальных сил давления жидкости

284

на пластинчатый ротор, благодаря чему они пригодны для работы при более высоком, чем у насосов однократного действия, давле­ нии жидкости (14 МПа или 140 кгс/см2 и выше).

Насос двукратного действия фактически состоит из двух на­ сосов, размещенных в одном корпусе. В корпусе 5 насоса (рис. 101) помещены боковые диски 2 и статор 4, внутренняя поверхность которого (фасонного профиля) выполнена так, что участки кри­ вой, расположенные между окнами питания alt а2, Ьг и Ь2, про­

резанными в дисках 2, являются дугами окружностей, описан­ ных из центра ротора, а участки, приходящиеся на эти окна, выполнены плавно сопрягающимися кривыми (см. также рис. 102).

Окна а х и а2 соединены литыми каналами корпуса с полостью всасывания, а окна Ьг и Ь2 — с полостью нагнетания.

При вращении ротора 2 без давления или при малом давлении жидкости пластины 3 прижимаются к поверхности статора 4 под действием центробежной силы; при наличии давления на пла­ стину дополнительно действует сила давления жидкости, под­ водимой через кольцевые проточки сна боковых дисках 2 в радиаль­ ные пазы ротора под торцы пластин 3 (рис. 102, а).

Из расчетной схемы, приведенной на рис. 103, а, следует, что пластины, копируя при вращении ротора, форму статора, дважды увеличивают (всасывание) за один оборот объем камеры между двумя смежными пластинами (показано точечной штриховкой) и дважды его уменьшают (нагнетание). Поскольку рабочее давле­ ние жидкости действует на диаметрально противоположные сто­ роны ротора (со стороны окон Ьх и Ь2), подшипники ротора прак­ тически разгружаются от сил давления жидкости. Для более

285

полной уравновешенности радиальных сил давления жидкости на ротор число камер (число пластин) должно быть четным; рас­ пространены насосы с 12 и 16 пластинами.

Благодаря тому, что междуоконные участки кривых статора (соответствуют углу е; рис. 103, а) описаны из центра О вращения

Рис. 102. Схемы пластинчатого насоса с наклонным (а) и радиальным (б) расположением пластин

ротора, практически устраняется компрессия жидкости при проходе этих участков пластинами и уменьшается пульсация подачи. Пульсация в этом случае определяется разницей в рас-

Рис. 103. Расчетная схема пластинчатого насоса (а) и его характеристика (б)

ходах жидкости, идущей на заполнение прорезей ротора под пла­ стинами при их выдвижении, и жидкости, вытесняемой пласти­ нами при их утапливании, а также сжимаемостью жидкости в ка­ мерах насоса и деформацией его корпуса. Кроме того, благодаря концентричности межоконных участков статора, пластины в пе­

286

риоды, когда они находятся под боковой односторонней гидра­ влической нагрузкой, не перемещаются в пазах, благодаря чему уменьшается их трение и износ.

Пазы (прорези) в роторе, в которых помещаются пластины 3, обычно выполняют наклонно под углом а к радиусам (см. рис. 101 и 102, а) и реже — с радиальным расположением (см. рис. 102, б). Наклонное расположение пазов обусловлено тем, что подбором величины угла а ~3>0 можно изменить в желаемом направлении действие силы реакции, которая в этом случае будет действовать на пластину так, что силы трения практически не будут вызы­ вать изгибающих напряжений (угол а стремятся выполнить рав­ ным углу трения).

Следовательно, благодаря наклону пластин улучшаются усло­ вия движения их в пазах ротора, однако наклонное их положе­ ние исключает возможность реверса насоса. Ввиду этого в ревер­ сивных насосах и гидромоторах прорези под пластины выпол­ няются строго радиально (см. рис. 102, б).

Угол а наклона пазов ротора под лопасти к радиусу ротора обычно принимают равным 13—15° при малых диаметрах ротора (до со80 мм) и 7—8° при больших диаметрах. Увеличение угла наклона пазор может вызвать вибрации пластин' и шум при ра­ боте насоса.

Плотность контакта между пластинами 3 и статором при ра­ боте под давлением обеспечивается давлением рабочей жидкости, подводимой в пазы ротора под пластины через кольцевые про­ точки с, выполненные на крышке корпуса (см. рис. 102, а и 103, а).

Пластинчатые насосы выпускаются в основном на давление

7 МПа (70 кгс/см2) и, реже, 10 и 14 МПа (100 и 140 кгс/см2). Ог­ раничения по давлению обусловлены тем, что при более высоком давлении пластины-при проходе зоны всасывания (в которой они не разгружаются противодавлением, действующим со стороны статорного кольца) прижимаются с большим усилием к его поверх­ ности, в результате чего быстро изнашиваются. Усилие, с кото­ рым пластина прижимается к статору, в этом случае вычисляется по выражению (100).

При последовательной установке двух насосов (см. стр. 298), рассчитанных на давление 14 МПа (140 кгс/см2), результирующее давление может быть повышено до 22 МПа (220 кгс/см2).

Объемный к. п. д. гидромашины, в зависимости от качества изготовления и частоты вращения, составляет т]об = 0,60-г-0,95; механический к. п. д. — цмех = 0,7н-0,9. Общий к. п. д. насоса средней мощности равен 0,85 практически на всем рабочем диа­ пазоне давления.

Частота вращения насоса — от 500 (для насосов большой мощ­ ности) до 1500—3000 об/мин (для насосов средней и малой мощ­ ности). Миниатюрные пластинчатые насосы выпускаются на по­

287

Срок службы пластинчатых насосов двукратного действия при работе на номинальном давлении составляет по гарантии заводов изготовителей несколько тысяч (3000) часов. Однако практика показывает, что насосы, особенно малых размеров, работают при качественной фильтрации жидкостей без заметного снижения к. п. д. в течение 6000—8000 ч и более.

Благодаря высоким качествам рассматриваемого насоса его принципиальная схема положена в основу стандартных насосов многих сотен типоразмеров (в США свыше 500). Особенно широко эти насосы применяются в металлорежущих станках. Ряд загра­ ничных фирм выпускает' эти модифицированные насосы на давле­ ния; 7; 10; 14 и 17,5 МПа (70; 100; 140 и 175 кгс/см2) и подачу от 3 до 950 л/мин. Весовая отдача, приходящаяся на 1 л. с., у этих насосов доведена до 0,5—0,4 кгс/л. с.

Эти насосы пригодны для работы на рабочих жидкостях (мас­ лах) вязкостью 20—30 сСт при высоте всасывания до 5 м.

На рис. 103, б приведена характеристика мощного насоса этого типа. Вязкость масла 72 сСт при температуре 38° С; рабочая температура 54° С. На графике соответственно обозначено: Q3(J) — фактический расход насоса; Nnp и Мэф — приводная и эффектив­ ная (полезная) мощности насоса; т)об и т]полн — объемный и полный к. п. д.

49. Расчетная подача

По принципу действия рассматриваемый насос можно сравнить с поршневым насосом с изогнутым по дуге цилиндром и поршнями прямоугольного сечения, в котором роль поршня выполняет ра­ бочая часть пластины высотой h = г2 — гх (см. рис. 102 и 103). Пластина при перемещении по концентричным участкам между окнами ах и Ьх или а2 и Ь2 (в пределах угла е) вытесняет объем Q', по величине равный произведению площади рабочей части пла­ стины / = hb на окружную скорость v ее центра давления:

дит вытеснение жидкости двумя пластинами (из двух камер), получим приближение (без учета толщины пластин) для вычисле­ ния расхода (подачи) насоса:

288

С учетом толщины пластины (см. стр. 279) и их наклона

Влияние толщины пластин на подачу обусловлено тем, что при утапливании пластин во время прохождении ими зоны на-

d

Рис. 104. Схемы к расчету пульсации давления пластинчатого насоса, обуслов­ ленной сжимаемостью жидкости

гнетания часть подачи расходуется на восполнение освобождае­ мого ими объема, т. е. имеет место как бы отрицательная подача.

Выражение для_ расчетной величины подачи подобного на­ соса может быть также получено из формулы (92) путем под­ становки в нее значения рабочей высоты пластины h — г2 — гх и

р = т'г , а также Ь и п, учитывая при этом, что одновременно

происходит вытеснение жидкости двумя пластинами (каждая пластина за один оборот совершает два рабочих хода.)

50. Равномерность подачи

Анализ приведенных выражений показывает, что поскольку рабочая высота пластины при условии концентричности рабочих участков статора (соответствует углу е, рис. 103, а) сохра­ няется в процессе нагнетания постоянной, рассматриваемые на­ сосы по своим геометрическим параметрам могут обеспечить прак­ тически равномерную подачу. Однако опыт показывает, что даже при самом оптимальном выборе параметров насоса наблюдается неравномерность (пульсация) подачи. Она вызывается в основном 1) сжатием жидкости в, рабочих камерах при переходе их из по­ лости всасывания в полость нагнетания, 2) неравномерностью