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

водом (или ручные насосы), в которых жидкая среда перемещается за счет мускульной силы человека.

Схема одного из таких насосов приведена на рис. 10, а. Насос имеет цилиндр 7 и поршень 2, шток которого связан с приводной ручкой 4. При качательных движениях этой ручки поршень со­ вершает поступательные перемещения в цилиндре. При движении его вправо левая камера (полость) цилиндра будет увеличиваться, в результате чего в ней создается вакуум и жидкость через вса­ сывающий клапан 6 будет поступать в эту камеру; одновременно

Рис. 10. Схемы насосов с ручным приводом

правая полость цилиндра уменьшается, вследствие чего жид­ кость через нагнетательный клапан 3 вытесняется поршнем в на­ гнетательный трубопровод. При движении поршня влево полости всасывания и нагнетания поменяются местами, и жидкость будет засасываться через клапан 5 и нагнетаться через клапан 1.

Ручные насосы являются самовсасывающими: заполнение подводящего трубопровода жидкой средой в них происходит самотеком. Жидкость, поступая в цилиндр насоса, занимает в нем место, освобождаемое поршнем. Следовательно, если не учи­ тывать утечек жидкости и возможного неполного заполнения ею цилиндра, теоретический объем жидкости, подаваемый насосом, равен объему, описанному поршнем. В соответствии с этим рас­ четная (геометрическая) подача жидкости за один ход поршня равна объему, описываемому рабочей площадью поршня:

при ходе поршня вправо

<71 = т ( Я ’ - ^ л;

при ходе поршня влево

qa = ±D*h,

где D a d — соответственно диаметры цилиндра и штока поршня; h — ход поршня.

50

Подача за одно двойное качание (ход) ручки составит

Я= </! + ?* = -J-ft(2Da_d*).

Чтобы обеспечить равные подачи (вытеснение) жидкости при движениях ручки в ту и другую стороны, применяют двухцилин­ дровые насосы (рис. 10, б). При повороте ручки в какую-либо сторону жидкость из одного цилиндра вытесняется, а в другой засасывается. Ввиду того, что рабочие площади обоих поршней равны между собой, равными будут также вытесняемые объемы и усилия на ручке. Величина этого усилия для последней схемы определится из соотношения (трением и вакуумом в парном ци­ линдре пренебрегаем)

Fpa = Gb; G = F p ± ,

где F = —-— - площадь поршня;

G — нагрузка на ручке, требующаяся для создания давления;

а и b — плечи приложения действующих сил. Подобным насосом можно при правильном выборе диаметра

цилиндра (30—40 мм) и кинематики привода поршня развить дав­ ление жидкости до 15—20 МПа (150—200 кгс/см2). Однако в прак­ тике их обычно применяют для вспомогательных установок с не­ большими давлениями (до 5 МПа или 50 кгс/см2) и расходами, для основных же гидроустановок применяют насосы различных кон­ структивных исполнений с механическим или электрическим при­ водом.

Для этой же цели применяют насосы пластинчатых типов, схема одного из которых, получившего название альвеерного насоса, изображена на рис. 10, в. Насос имеет цилиндрический корпус 1, в котором помещен вал 2, несущий плотно пригнанные к внутренней поверхности этого корпуса две пластины 3 с пло­ скими нагнетательными клапанами 4. На разделительный пере­ городке 7 находятся два плоских всасывающих клапана 8.

При качательных движениях рукоятки насоса пластины 3 будут совершать поворотные движения вокруг оси вала и тем са­ мым изменять объем камер, образованных этими пластинами и уплотнительной перегородкой 7: объем одной из них будет умень­ шаться, а второй — увеличиваться. Жидкость из уменьшающейся

меру же, объем которой будет увеличиваться, жидкость поступает под действием образовавшегося вакуума из всасывающего канала 5 через один из клапанов 8.

Расчетная подача насоса за одно одностороннее качание равна объему, описываемому рабочей высотой (R — г) одной бесконечно тонкой пластины при повороте на угол а < 360°:

q = n (R2 — г2) Ь360а

и подача в единицу времени

QT = qn = nb (R2 — г2) ggQ ,

где п — число односторонних качаний в единицу времени. Фактическая подача с учетом объемного к. п. д. rjoG (см.

стр. 77)

<2 ф = ФтПоб-

Значение т]об принимают при номинальном давлении (г)об =

=0,80-г-0,85).

Кнедостаткам насосов этого типа относится трудность герме­

тизации рабочих камер, ввиду чего их применяют лишь при низких давлениях (меньше 0,5 МПа или 5 кгс/см2).

§ 14. Насосы с механическим приводом

1. Схемы насоса

Рассмотренные насосы с ручным приводом могут применяться лишь для перемещения (транспортирования) ограниченных объ­ емов жидкости, к тому же обычно под низким давлением; величины подачи и давления здесь лимитированы возможностями (мощ­ ностью) ручного привода. Для более высоких значений указанных параметров применяют насосы с механическим приводом, в ка­ честве которого распространен кривошипно-шатунный мехайизм (рис. 11) и его модификации.

Ниже рассмотрены перекачивающие насосы с этим приводом. Возвратно-поступательное движение поршня b в насосе по схеме на рис. 11, а осуществляется при помощи кривошипно-шатунного механизма а, в котором роль ползуна выполняет поршень.

Насосы этого типа в одноцилиндровом исполнении применяют преимущественно для перекачки воды, нефти и прочих жидкостей под небольшим давлением и в отдельных случаях — для подачи жидкости (масла) под сверхвысоким давлением (до 250 МПа или

2500 кгс/см2).

Из расчетно-кинематической схемы простейшего одноцилинд­ рового насоса этого типа, представленной на рис. 11, б, видно, что при вращении кривошипа 1вокруг оси Оа приводного вала, пор­ шень 4, шарнирно связанный с шатуном 2, будет совершать воз­ вратно-поступательные движения в цилиндре 3, причем за каждый оборот кривошипа поршень совершит два хода, из которых один

52

может быть использован для всасывания и другой — для нагне­ тания жидкости. Для обеспечения процессов нагнетания и вса­ сывания насос снабжен двумя самодействующими клапанами — всасывающим 5 и нагнетательным 6, первый из которых соединен с линией, ведущей в бак, и второй — с линией питания гидросис­ темы (нагнетательной линией).

При ходе поршня 4 вправо объем рабочей камеры (цилиндра) уменьшается и жидкость вытесняется через клапан 6 в нагне­ тательную линию; при ходе влево объем рабочей камеры увели­ чивается, в результате чего в цилиндре создается вакуум, и жид-

кость, открыв под действием атмосферного давления клапан 5, будет засасываться из бака. Величина хода h поршня равна двой­ ной величине кривошипа г.

Средняя расчетная (геометрическая) подача рассматриваемого

где h — 2r — ход поршня при повороте кривошипа на 180°; г — радиус кривошипа;

F — площадь поршня.

Средняя расчетная подача в единицу времени (без учета объем­

где п — частота вращения кривошипа.

Регулирование подачи осуществляется в основном изменением радиуса кривошипа г, осуществляемое различными конструктив­ ными способами (см. стр. 145, в).

2. Вакуумметрическая высота всасывания

Рассматриваемые насосы являются самовсасывающими, т. е. в них обеспечивается самозаполнение подводящего трубопровода жидкой средой.

Необходимое абсолютное давление во всасывающем патрубке насоса зависит от высоты всасывания и потерь напора во всасы­

53

вающей магистрали (при определении потерь следует учитывать и ту часть всасывающего трубопровода, которая находится ниже уровня масла в баке).

Из расчетной схемы установки такого насоса (рис. 12, а) следует, что в случае, если расходный резервуар (бак) 7 соединен с атмосферой, то жидкость перемещается во всасывающем трубо­ проводе (магистрали) 9, преодолевая его сопротивление. При этом она поднимается от уровня жидкости в резервуаре 7 до цилиндра 2 насоса под действием разности атмосферного давления р 0, дей­

ствующего на поверхности жидкости в резервуаре, и переменного давления рц в рабочей полости цилиндра (р 0 — рц) при ходе поршня 3 в режиме всасывания. Под действием этой разности давлений отрывается всасывающий клапан 8, а также преодоле­ ваются силы инерции жидкости во всасывающем трубопроводе

ицилиндре насоса, обусловленные ускорениями поршня.

Вслучае расположения резервуара 7 ниже цилиндра 2 насос при пуске будет некоторое время перекачивать воздух, постепенно

поднимая уровень жидкости во всасывающем трубопроводе 9 до уровня цилиндра насоса. При определенной высоте Ян от на­ соса до напорного бака 11 могут создаваться при пуске условия, при которых давление вытесняемого из цилиндра 2 воздуха не сможет преодолевать силу, развиваемую давлением столба жид­ кости (высота Ян — К) на нагнетательный клапан 1, в результате чего насос не сможет вступить в работу (см. стр. 209). Поэтому цилиндр насоса и всасывающую его трубу обычно заполняют перед пуском перекачиваемой жидкостью, что облегчает его запуск, а также устраняет работу поршневой группы насоса без жидкости (на воздухе), при которой происходит интенсивный износ уплот­ нительных и прочих узлов. Для удержания жидкости во всасы­ вающей трубе при неработающем насосе в начале всасывающей

54

трубы, на участке, погруженном в жидкость, обычно устанавли­ вают дополнительный обратный (пятовый) клапан 12.

(соответствует разрежению в цилиндре), причем в насосах без искусственного «поддавливания» (без избыточного давления на всасывании; р 0 — 1 ата) значение ее всегда ниже атмосферного давления, выраженного в единицах высоты столба перекачиваемой жидкости.

Допускаемая вакуумметрическая высота всасывания опреде­ ляется как высота всасывания, при которой обеспечивается ра­ бота насоса без изменения основных технических показателей и вычислятся в общем случае по выражению (в м)

где р о — давление окружающей среды в Па; рнх — давление, на входе в насос в Па;

р — плотность жидкой среды в кг/м3; иах — скорость жидкой среды на входе в насос в м/с;

g — ускорение свободного падения в м/с2.

Без учета члена, заключенного в скобки и выражающего сумму давлений на входе в насос и потерь скоростного напора, предель­ ная высота всасывания упрощенно определится зависимостью

Если р 0 выражено в кгс/м2 и удельный вес уж= pg — в кгс/м3, высота всасывания выразится в метрах столба перекачиваемой жидкости.

Нетрудно видеть, что если пренебречь давлением паров жид­ кости и возможностью выделения из нее растворенного воздуха, а также сопротивлением всасывающей магистрали, то предельная высота всасывания (на уровне моря) при работе насоса на воде равна 10 м. Однако практически с учетом упругости (давления) паров жидкости предельная высота всасывания будет меньше на величину, эквивалентную этой упругости (считаем, что жидкость деаэрирована):

и' —_Р»__ь

™вс ?ж 0>

где b — упругость паров жидкости, выраженная в единицах ее

столба при данной температуре.

Поскольку упругость паров жидкости зависит от температуры, от последней будет зависеть также и высота всасывания, которая будет уменьшаться с повышением температуры.

55

Кроме того, эта высота зависит от типа жидкости. Так, для бензина, упругость паров которого выше упругости паров воды, высота всасывания насоса при той же температуре будет ниже, чем упругость паров воды, несмотря на то, что объемный вес бен­ зина ниже объемного веса воды.

Практически допустимая высота всасывания с учетом упруго­ сти паров, сопротивления всасывающей магистрали и прочих потерь напора, а также вследствие расширения пузырьков нерастворенного воздуха и выделения из жидкости растворенного воздуха, будет ниже указанного предельного значения.

Величина разрежения # вс, которое способен создать насос при пуске без предварительной заливки его жидкостью, когда камеры его еще заполнены воздухом, существенно зависит от вредного пространства камеры, под которым, например, для поршневого насоса понимается объем VB, заключенный между левым мертвым положением поршня и крышкой цилиндра (рис. 12, б). Принимая, что в начальный момент хода поршня вправо давление во вредном пространстве равно атмосферному (10 м вод. ст.), перемещение поршня, вызывающее увеличение объема камеры, приведет к по­ нижению давления воздуха, определяющему разрежение. При изотермном процессе величина разрежения (в м вод. ст.) опреде­ лится как

Явс= 1 0 ( 1 ---------- \

{1+ т

где Vn — объем, освобождаемый поршнем при его перемещении из одного нейтрального (мертвого) положения в другое.

Из данного уравнения следует, что для увеличения разрежения и обеспечения самовсасывания насоса необходимо максимально уменьшать величину вредного пространства.

При известном значении разрешения перепад давления на всасывании не может преодолеть ''сопротивлений всасывающего клапана 8 (рис. 12, а) и обеспечить подъем жидкости на высоту Явс; в результате воздух, заполняющий вредное пространство, будет расширяться при ходе всасывания и сжиматься при ходе нагнета­ ния. Ввиду этого насосы, камеры которых имеют большое вредное пространство, плохо засасывают рабочую жидкость и нуждаются при пуске в принудительной заливке (см. также стр. 209). ■

§ 15. Скорость и ускорение поршня

3. Скорость поршня

Из схемы, представленной на рис. 11,6, следует, что при пово­ роте кривошипа 1 из мертвого (горизонтального) полржения в на­ правлении стрелки на угол у = соt поршень переместится в ци­ линдре на величину

х = (г + R) — (г cos у + R cos а),

56

Следовательно, графически скорость v движения поршня в ци­ линдре меняется по закону суммы полусинусоиды и полной си­ нусоиды.

При расчетах часто принимают шатун бесконечно длинным. При этом допущении путь, пройденный поршнем, равняется про­ екции дуги, описанной кривошипом, на ось цилиндра. Следова­ тельно,

dx

■ r s m y ^ L .

dt

Если угол у выражен в радианах, то первая производная от него есть угловая скорость со. Следовательно,

dy я п

57

Часто бывает удобнее пользоваться формулой, в которой зна­ чение sin у выражено через положение х поршня. Из выраже­ ния (5) находим

Подставив это значение в формулу для v, получим

Выражение (6) для скорости показывает, что в мертвых поло­ жениях поршня (у = 0 и у = я) скорость его равна нулю

^шах ==

Выражение для средней скорости можно переписать в виде

__ hn _ 2гп _ гп

UcP — 30 ~ 16" ~ ТЁГ •

Следовательно, максимальная скорость поршня итах превы­ шает среднюю ее величину оср в отношении

Подача жидкости

В теоретической схеме работы насоса жидкость неотрывно следует за поршнем. Подача жидкости в текущий момент равна скорости поршня, умноженной на его площадь. Поскольку эта площадь для данного насоса постоянна, изменение текущей по­ дачи зависит лишь от изменения скорости, а следовательно, по­ дача изменяется по тому же закону, что и скорость, т. е. по закону синуса.

58

Последнее может быть также обосновано следующим. За бес­ конечно малый промежуток времени dt поршень площадью F пройдет путь dh. За это время будет подан объем жидкости

dQ — Fr siny dy.

Следовательно, подача жидкости одним поршнем в течение одного его хода изменяется аналогично изменению скорости поршня, т. е. по синусоиде.

Равномерность подачи. Мгновенная (текущая) подача пропор­ циональна относительной скорости поршня при рабочем ходе и определяется произведением

Q = vF,

где F — площадь поршня;

v — мгновенная скорость поршня.

Подставив значение v из выражения (4), получим текущую расчетную лодачу насоса

Так как величина шатуна R значительно больше радиуса кри­ вошипа г, вторым членом выражения в скобках можем пренебречь [см. так же выражение (6) I. В результате подача насоса будет уп­ рощенно представлена синусоидой

Из выражений (8) и (9) следует, что скорость поршня и подача рассматриваемого одноцилиндрового насоса носит неравномерный (пульсирующий) характер: ход нагнетания (подачи) такого насоса будет чередоваться через каждые 180° поворота кривошипа с хо­ дом всасывания, причем в пределах самого рабочего цикла, соот­ ветствующего углу поворота кривошипа на 180°, текущая скорость поршня [см. выражение (4)] неодинакова по длине его пути: в крайних положениях она равна нулю и примерно в среднем положении (у ^ 90°) имеет наибольшее значение. Следовательно, максимальная текущая подача однопоршневого насоса имеет место при у = 90° (рис. 14, а; см. также рис. 13, а).

59