Динамика радиально-поршневых машин

В процессе работы радиально-поршневой машины на каждый поршень действуют сила инерции и давление жидкости. Сила инерции определяется массой поршня и ускорением относитель­ного движения поршня в цилиндре. Результирующую сил давле­ния жидкости на поршень, направленную по оси поршня, можно разложить на две составляющие (см. рис. 10):

(19)

(где р_н — давление нагнетания рабочей жидкости; d_п — диаметр поршня),

тангенциальную T_t = Р tg и радиальную

Тангенциальная сила T_t создает момент M_t на роторе, который преодолевается для насоса приводящим электродвигателем и на­правлен против момента нагрузки при работе гидромотора:

(20)

Полный крутящий момент равен сумме моментов от поршней, на которые действует давление нагнетания:

(21)

и подобно подаче насоса пульсирующий. Частота пульсации мо­мента определяется частотой вращения вала и числом поршней.

Основные конструктивные параметры.

Диаметр поршня опре­деляется условием обеспечения подачи из выражения (18):

(22)

где h^- — относительный ход поршня, h^- = h/d_n = (0,65... 1,00); k — число рядов поршней; т — число циклов.

Вычисленное значение d округляют до ближайшего значения диаметра из нормального ряда по ГОСТ 12447 — 80.

Длина поршня l = 2 (е + d_n). Минимальная глубина погру­жения поршня в роторе

l_х = (1,5 ... 2,0) d_n. Диаметр ротора Dp = 12,5d_n, внутренний диаметр опорной поверхности статора D_c = D_p + 2е. Диаметр цапфенного распределителя D₀ = (4,5 ... 5,0) d_n. Другие расчеты размеров конструкции и все прочностные расчеты радиально-поршневых гидромашин прово­дят обычными методами, принятыми в машиностроении.

Вырезать

В радиально-поршневых машинах поршни опи­раются на опорную поверхность статора сфери­ческой головкой или че­рез подшипниковую пару. Такой простой контакт имеет ряд недостатков.

11.Схемы контактов порш­ня с опорным кольцом статора

Вследствие больших контактных напряжений в точке контакта по оси поршня (рис. 11 а) появляются большие потери на трение и происходит нагрев головки поршня. Для уменьшения потерь на трение головки об опорное кольцо и поршня о стенки цилиндра п для улучшения смазки поршню сообщают поворотное движение нокруг его оси. Для этого опорную поверхность статора выполняют под углом ф = 15 ... 20° (рис. 4.11, б). Так как точка контакта смещена от оси, то при работе машины поршень еще поворачи­вается вокруг своей оси под действием силы трения. Возникающая при этом сила Т, нагружая поршень, стремится сместить ротор п осевом направлении. Для компенсации этой осевой силы уста­навливают второй ряд поршней с опорой на симметричную опор­ную поверхность с встречным наклоном поверхности (рис. 11, в). В случае применения цапфы в качестве распределительного элемента со стороны нагнетания на цапфу / действует сила, опре­деляемая давлением р_н (рис. 12, б). Со стороны всасывания сила очень мала. Результирующая сила вызывает деформацию цапфы, повышаются трение и износ. Для уменьшения влияния давления па цапфе между уплотнительными поясками делают разгрузочные канавки A и Б (рис. 12, а). На рис. показаны эпюры давления со стороны нагнетания и стороны всасывания, вызванные наличием разгрузочных канавок. Результирующая сила, определяемая эпюрой о₃ (рис.12, в), значительно меньше, чем для случая неразгруженной цапфы (см. рис.12, б).

12. Схемы действия сил давления на распределительную цапфу радиально»

поршневого насоса

Для обеспечения малых перетечек из полости нагне­тания Н в полость всасыва­ния В при прохождении поршнем перемычки аб (рис. 12, г) ее выполняют шириной на 0,5—0,6 мм больше ширины окна Г в роторе 2. Если это перекрытие будет еще больше, то возникает компрессия (запирание) жидкости в цилиндре, при которой в цилиндре зна­чительно повышается давление.

На рис. 15 показан высокомоментный радиально-поршневой гидромотор шестикратного действия. Основные конструктивные элементы: корпус (статор) 7 с крышками 6 и 9, блок цилиндров (ротор) 10 с двумя подшипниками качения, одиннадцать поршней в сборе 8, торцовый распределительный диск 5 со втулками 3 и 4, крышка 2 распределителя со штуцерами / и 12, уплотнительные кольца и уплотнительная манжета 11. Рабочие камеры Л гидро­мотора образованы рабочими поверхностями цилиндров блока и поршней. Каждая рабочая камера при помощи каналов и отвер­стий блока и торцового распределительного диска соединена со штуцерами 1 или 12, предназначенными для подвода и отвода рабочей жидкости. Торцовой распределительный диск 5 прижат к торцу блока цилиндров 10 через компенсационную шайбу пру­жиной втулки 3. В распределительном диске установлены по три втулки 3 и 4, которые соединяют каналы распределительного диска с каналами крышки 2 [5, 7].

При работе каждый из одиннадцати поршней совершает за один оборот вала в определенной последовательности шесть двойных ходов, при которых в рабочих камерах происходит сначала нагнетание, а затем вытеснение.

Рис. 15. Радиально-поршневой высокомоментный гидромотор

Принцип работы гидромотора. При подсоединении напорной линии к штуцеру 12 гидромотора рабочая жидкость под давлением поступает через соединительные втулки 4 к распределительному диску 5 и далее через шесть торцовых отверстий распределитель­ного диска и торцовые отверстия блока цилиндров 10 поступает в те рабочие камеры, поршневые группы которых в этот момент расположены на рабочих участках (участках скатывания по про­филю) копира корпуса 7. В этих рабочих камерах начинается процесс нагнетания. Под действием давления жидкости поршни выдвигаются из цилиндров. При этом каждый поршень развивает усилие Р, которое передается через ось двум подшипникам каче­ния поршневой группы. В точке контакта подшипников с копи­ром возникает усилие N, нормальное к рабочему участку копира. Поскольку усилие N направлено под углом к оси поршней, возни­кает тангенциальное усилие Т, которое создает крутящий момент, вращающий блок цилиндров и вал гидромотора. При вращении блока цилиндров в других рабочих камерах гидромотора происхо­дит вытеснение рабочей жидкости. В этот момент их подшипники качения поршневых групп расположены на холостых участках (участках накатывания на профиль) копира. Поршни под действием возникающих сил вдвигаются в цилиндры и происходит вытесне­ние рабочей жидкости из рабочих камер, которая через соответ­ствующие торцовые отверстия блока цилиндров и распределитель­ного диска поступает на выход гидромотора через штуцер 1. Частота вращения нерегулируемого гидромотора прямо про­порциональна расходу жидкости через гидромотор: п = Q/V₀.

Чтобы произвести реверс вращения вала, необходимо изменить направление подвода рабочей жидкости под давлением к гидромотору. При подводе рабочей жидкости к штуцеру / вал гидромотора вращается в противоположную сторону. При этом принцип ра­боты гидромотора прежний.

Рис. 4.16. Схема принципа работы кулачкового радиально-поршневого насоса

Кулачковые радиально-поршневые насосы выполняют с распре­делением, состоящим из гидравлических клапанов. Схема эле­мента такого насоса показана на рис. 4.16. Рабочая камера насоса заполняется рабочей жидкостью через всасывающий кла­пан 2 с пружиной 1, а вытеснение жидкости производится порш­нем 5 через нагнетательный клапан 3. Движение поршню 5 пере­дается кулачком 6, к которому поршень поджимается пружи­ной 4. Ось 0j, вокруг которой вращается кулачок, смещена отно­сительно его геометрической оси 0₂ на величину эксцентриси­тета е. При вращении кулачка поршень совершает в цилиндре возвратно-поступательное движение. Ход поршня 2е.

Кулачковые радиально-поршневые насосы с клапанным рас­пределением являются необратимыми гидромашинами, т. е. они не могут работать в режиме гидромоторов. Кроме того, подобные насосы не допускают изменения направления вращения.

Материалы основных деталей радиально-поршневых гидро­машин выбирают с учетом режимов и условий эксплуатации, а также в зависимости от типа конструкции. Для повышения анти­фрикционных свойств распределительного диска и блока цилин­дров соответственно применяют бронзы БрОСШО-2-3, БрОФЮ-1 и сталь 20Х с цементацией рабочей поверхности на глубину 0,7 — 0,9 мм и закалкой до твердости HRC 58 — 62. Поршни изготовляют из сталей 20Х или ШХ15 с твердостью поверхности после термо­обработки HRC 58 — 62, а для стали 40 X с наибольшей возможной твердостью. Копир изготовляют из стали ШХ15 с твердостью HRC 56 — 62. Статор изготовляют из чугуна СЧ 12-40 или сталей. Требования к точности и шероховатости рабочих поверхностей идентичны тем, что предъявляются к основным деталям объемных насосов [5].