03-06-2014_19-50-32 / Гидравлика Учебное пособие

Рис.2.17.Схема шестеренного насоса

Зубья шестерен перемещают жидкость из области всасывания 3 в область нагнетания 5. Всасывание обеспечивается тем, что жидкость захватываемая впадинами зубчатых шестерен из всасывающего пространства и при вращении последних перемещается в полость нагнета- ния до места зацепления шестерен, где зубья одной шестерни вытесняют жидкость из впадин другой. Применяются шестеренные насосы в системах смазки, в гидросистемах тракторов, автомобилей, станков, гидропередачах и т.п. Промышленность выпускает насосы с подачей от 0,22 до 144м3/ч и давлением 0,4 до 2,5 Мпа.

Рабочий объем шестеренного насоса:

Где m – модуль зуба; Dн - диаметр начальной окружности; z - число зубьев; b – ширина

зуба.

Пластинчатые (шиберные) машины бывают одно- и многократного действия. В корпусе 1 вращается массивный ротор 2, эксцентрично расположенный относительно внутренней цилиндрической поверхности статора (рис.2.18.).

Рис.2.18.Схема роторно-пластинчатого насоса

В радиальных пазах ротора 2 перемещаются пластины 3. Внутренняя часть корпуса 1 выполнена так, что полости всасывания 4 и нагнетания 5 отделены одна от другой пластинами и внутренней цилиндрической поверхностью корпуса. Вследствие эксцентриситета е при вращении ротора 2 жидкость переносится из полости 4 в полость 5 в межлопастных пространствах (камерах) А. Все камеры этого насоса переносят за один оборот в полость нагнетания объем жидкости, равный объему кольца толщиной 2е, из которого нужно вычесть объем, занятый пластинами, т.е.

где e - эксцентриситет; R - радиус статора; z - число пластин; δ - толщина пластин; b - ширина ротора.

Такие насосы бывают постоянной и переменной подачи, причем у последних регулирование подачи осуществляется изменением эксцентриситета. У пластинчатых машин однократного действия ротор и подшипники испытывают односторонние силы давления, что затрудняет создание таких машин большой мощность и является одной из причин малого срока их службы. Более целесообразно устроены пластинчатые насосы двукратного

действия, у которых вследствие наличия двух противоположных полостей ротор разгружен от сил давления. У таких насосов подвод жидкости в камеры и отвод из них производится через торцевые окна статора (рис.2.19.).

Рис.2.19.Пластинчатый насос двукратного действия

Ротор 1 с пластинами 2 охвачен статором 3 специального профиля. Число пластин z четное (не меньше 8). За один оборот две любые соседние пластины совершают два рабочих цикла, перемещая жидкость из окна 5 в окно 7 через перемычку А, и потом из окна 8 в окно 4 через перемычку А′. Окна 4 и 7, а также 5 и 8 соединены попарно между собой и далее с подводящей (р1) и отводящей (р2) полостями.

Рабочий объем пластинчатой машины двукратного действия:

где Rmax и Rmin – максимальный и минимальный радиусы статора соответственно.

При использовании пластинчатых гидромашин в качестве гидромоторов постоянное прижатие пластин к статору осуществляется с помощью пружин, т.к. в состоянии покоя пластины не могут быть прижаты к статору и жидкость свободно перетекает в корпусе, не

вызывая вращения ротора.

У винтовых насосов подача жидкости осуществляется рабочими органами – винтами, число которых может быть разное. Наибольшее распространение получили трехвинтовые насосы с двухзаходными винтами (рис.2.20.).

Насос имеет ведущий 1 и два ведомых 3 винта, вращающихся, как в подшипнике, в обойме 4. Винты образованы тремя двузубыми шестернями с циклоидальным зацеплением. Боковые поверхности зубьев образованы циклоидами, а периферийные – цилиндрами, скользящими по поверхности обоймы 4. Находясь в зацеплении, винты образуют изолированные камеры (видимая часть границы одной из камер заштрихована и обозначена абвгдежзика). При вращении винтов камеры перемещаются поступательно и переносят жидкость из полости всасывания (р1) в полость нагнетания (р2), где перенесенная жидкость вытесняется боковыми поверхностями 7 винтов.

Рабочий объем винтовой машины определяется свободной площадью S между обоймой и телом винтов и шагом винтов l :

Соотношения размеров профилей винтов установлены теорией циклоидального зацепления: D2=5dн/3; d2=dн; d=dн/3; l =10dн/3. При этом S=1,24dн2.

Рис.2.20.Трехвинтовой насос с циклоидальным герметичным зацеплением

Таким образом, подача винтового насоса:

Винтовые насосы отличаются большой быстроходностью, равномерной подачей и компактностью. Однако по объемному КПД (ηo=0,80….0,85) и развиваемому давлению (до 20 Мпа) они уступают поршневым насосам из-за трудности обеспечения надежного уплотнения сложных винтовых профилей.

Применяются винтовые насосы в мощных гидроприводах, маслосистемах турбин и для подачи различных вязких жидкостей; винтовые гидромоторы используют в системах управления и регулирования, центрифугах, подъемных приспособлениях и для механизации различных технологических операций (завертывание гаек и т.п.).

2.2.Объемные гидродвигатели поступательного и вращательного движения

Объемные гидродвигатели по характеру движения выходного звена делятся на гидроцилиндры (с поступательным движением выходного звена), поворотные гидродвигатели (с ограниченным углом поворота выходного звена) и гидромоторы (с вращательным движением выходного звена).

Гидроцилиндр, в котором движение выходного звена под действием рабочей жидкости возможно только в одном направлении, называется гидроцилиндром одностороннего действия (рис. 2.21.а.).

Движение выходного звена в противоположном направлении может происходить при этом под действием пружин, силы тяжести или звеньев приводимой машины. Если же движение выходного звена возможно в двух противоположных направлениях – гидроцилиндр двустороннего действия (см. рис. 2.21.б). В зависимости от конструкции

рабочего звена гидроцилиндры бывают: поршневые (см. рис. 2.21.а, б.), плунжерные (см. рис. 2.21.в.), мембранные (см. рис. 2.21.г.), сильфонные (см. рис. 2.21.д.). Под рабочим звеном гидродвигателя вообще и гидроцилиндра в частности понимается деталь или группа деталей, участвующих в образовании рабочей камеры и приводящих в движение выходное звено.

Приведенные конструктивные схемы гидроцилидров позволяют обеспечить полный ход выходного звена равным ходу рабочего звена и поэтому их принято называть одноступенчатыми гидроцилиндрами. А гидроцилиндры у которых полный ход выходного звена равен сумме ходов всех рабочих звеньев, называется телескопическим (см. рис.2.21.е.).

Рис.2.21.Конструктивные схемы гидроцилиндров:

а – поршневой одностороннего действия; б – поршневой двустороннего действия; в – плунжерный; г – мембранный; д – сильфонный; е – телескопические; ж – со штоком, расположенным по обе стороны поршня.

В тех случаях, когда необходимо получить одинаковую скорость выходного звена в двух противоположных направлениях, гидроцилиндр снабжают ложным штоком того же диаметра, что и основной (d1=d2) (см. рис. 2.21.ж.).

При эксплуатации гидроцилиндров с большими инерционными нагрузками на выходном звене с целью предотвращения возникновения ударных нагрузок используют гидроцилиндры с торможением, в конструкции которых предусматриваются демпфирующие устройства, обеспечивающие плавное замедление движения поршня.

Наиболее распространенные конструктивные схемы таких демпферов показаны на рис.

2.22..

Рис.2.22.Конструктивные схемы демпфирующих устройств гидроцилиндров

Демпфирование достигается за счет выдавливания жидкости утолщением штока через кольцевой зазор, образующийся между этим утолщением и цилиндрической расточкой, выполненной в крышке гидроцилиндра (см. рис. 2.22.а.), последовательным выключением выпускных отверстий, соединяющих полость гидроцилиндра с линией слива (см. рис. 2.22.б.), включением в конце хода продольной дросселирующей щели (см. рис. 2.22.в.) или выключением дроссельного клапана (см. рис. 2.22.г.).

В гидросистемах сельскохозяйственных машин применяются в основном нормализованые поршневые гидроцилиндры, рассчитаные для работы на минеральных маслах в диапазоне температуры рабочей жидкости от –10 до +70оС. максимальное давление для этих гидроцилиндров 16 Мпа, скорость поршня – до 0,5 м/с.

Плунжерные гидроцилиндры применяются для осуществления возвратно- поступательного движения рабочих органов, когда обратный ход этих органов происходит за счет собственной массы или за счет действия пружинных и других устройств (жатки зерноуборочных комбайнов, автопогрузчики, автомобили-самосвалы и др.). Они работают на минеральных маслах при наибольшем рабочем давлении до 10 Мпа со скоростью перемещения плунжера до 0,3 м/с.

Телескопические гидроцилиндры применяют в сельскохозяйственных машинах, где требуется значительный ход штока при минимальных размерах корпуса гидроцилиндра (кузова самосвальных тележек, автомобилей).

Основные параметры поршневых гидроцилиндров – это движущее усилие на штоке F и скорость поршня U.

Для поршневого гидроцилиндра двустороннего действия при подаче жидкости в поршневую полость усилие на штоке, а при подаче в штоковую полость

Расчетная скорость поршня (без учета утечек) для гидроцилиндра двустороннего действия при подаче жидкости в поршневую (Un) и штоковую полости (Uшт):

Таким образом, при соответствующем подборе диаметров штока и поршня можно получать различные движущие усилия и скорости поршня.

Эффективная движущая сила на штоке гидроцилиндра:

где Fтр,Fин,Fсл – силы трения, инерции и давления жидкости на сливе соответственно. В плунжерном гидроцилиндре вытесняемый объем жидкости равен нулю и поэтому при

Механический КПД (ηм) силового гидроцилиндра определяется силой трения и в зависимости от различных факторов колеблется от 0,97 до 0,81. В цилиндрах, поршни которых уплотнены резиновыми или кожаными манжетами, либо резиновыми кольцами,

утечки жидкости практически отсутствуют, поэтому ηо≈1.

Поворотные гидродвигатели (моментные гидроцилиндры) широко используются для возвратно-поворотных движений рабочих органов машин на угол, меньший 360о.

По виду рабочих органов поворотные гидродвигатели бывают: шиберные, поршневые и мембранные.

В практике распространены шиберные поворотные гидродвигатели, в которых рабочий орган – пластина или несколько пластин, жестко соединенных с валом двигателя. Рабочий цилиндр разделяется уплотняющей перегородкой 1 и пластиной 2 на две камеры (рис. 2.23.а.). Уплотняющая перегородка прижимается к ротору либо пластинчатой пружиной, либо силой давления жидкости.

Рис.2.23.Схемы шиберных поворотных гидродвигнателей:

а – однопластинчатый; б – двухпластинчатый; в – условное обазначение поворотного гидродвигателя

Расчетная величина вращающего момента М на валу шиберного гидродвигателя с од- ной пластиной

где p=pp – p сл – разность рабочего и давления слива; b - ширина пластин.

Угловая скорость вала:

где Q – расход жидкости.

При наличии двух и более пластин (рис.2.23.б.) вращающий момент соответственно увеличивается, а угловая скорость уменьшается в z раз, где z – число пластин. Углы поворота ротора при одной, двух и трех пластинах соответственно равны – 280, 140 и 70о.

Поршневым поворотным двигателем называется гидродвигатель с рабочими звеньями в виде поршней.

На рисунке (2.24.а.) показан двухпоршневой поворотный гидродвигатель с реечным преобразователем, используемый на погрузчиках, экскаваторах сельскохозяйственного назначения, в горных и металлургических машинах и др.

Рис.2.24.Схемы поршневых поворотных двигателей: а – двухпоршневой; б – четырехпоршневой.

Недостаток этого гидродвигателя – наличие зазора в зацеплении, что способствует появлению ударов при знакопеременных нагрузках. Несколько лишены этого недостатка четырехпоршневые поворотные гидродвигатели с двумя реечно-зубчатыми передачами (см. рис. 2.24.б.). Основные конструктивные элементы такого двигателя – корпус 1 и поршни 2, 4, 5 и 10, установленные в цилиндрических расточках корпуса. Поршни жестко попарно соединены зубчатыми рейками 3и 6, которые входят в зацепление с зубчатым колесом 7. Выходное звено гидродвигателя – вал 9.

Для выбора зазора и предохранения поворота рейки вокруг продольной оси имеются два упора 8. Гидродвигатель имеет четыре рабочие камеры, которые при работе соединяются попарно: А и В, Б и Г.

При подводе жидкости под давлением, например, в рабочие камеры А и В поршни 2 и 5 перемещаются в разные стороны. Вместе с поршнями перемещаются и рейки, которые поворачивают зубчатое колесо 7 с валом 9 по часовой стрелке. Одновременно при этом жидкость поршнями 4 и 10 вытесняется из камер Б и Г в сливную линию гидросистемы. При смене направления потоков жидкости вал гидродвигателя повернется против часовой стрелки.

Расчетный вращающий момент М и угловую скорость гидродвигателя определяют по формулам:

где d – диаметр поршня; D - диаметр делительной окружности зубчатого колеса; z -

число поршней, работающих одновременно.

Мембранным поворотным двигателем (рис.2.25.) называется гидродвигатель с рабочими звеньями в виде мембран.

Рис.2.25.Схема мембранного поворотного гидродвигателя

При подводе рабочей жидкости под давлением, например, в рабочую камеру Б, ползун 2 под действием силы давления переместится вниз, при этом свободный конец коромысла 3 совершит поворот по часовой стрелке. Одновременно объем рабочей камеры А уменьшается и рабочая жидкость вытесняется в сливную магистраль. При изменении потоков жидкости коромысло повернется против часовой стрелки. Угол поворота коромысла не превышает 20о от среднего положения.

2.3.Объемный гидропривод

Объемным гидроприводом называется совокупность объемных гидромашин, гидроаппаратуры, гидролиний (трубопроводов) и вспомогательных устройств, предназначенных для передачи энергии и преобразования движения посредством жидкости. К числу гидромашин относятся насосы и гидродвигатели. Гидроаппаратура – это устройства управления гидроприводом, при помощи которых он регулируется, а также средства защиты его от чрезмерных высоких и низких давлений жидкости. К гидроаппаратуре относятся дроссели, клапаны разного назначения и гидрораспределители – устройства для изменения направления потока жидкости. Вспомогательными устройствами служат так называемые кондиционеры рабочей жидкости, обеспечивающие ее качество и состояние (фильтры, теплообменники, гидробаки, гидроаккумуляторы). Перечисленные элементы связаны между собой гидролиниями, по которым движется рабочая жидкость.

Принцип действия объемного гидропривода основан на малой сжимаемости капельных жидкостей и передаче давления в них по закону Паскаля.

Объемные гидроприводы классифицируются по следующим признакам: по характеру движения выходного звена – поступательные (объемный двигатель – гидроцилиндр), поворотные (поворотные гидродвигатели) и вращательного движения (гидромотор); по источнику подачи рабочей жидкости – насосные, аккумуляторные, магистральные; по циркуляции рабочей жидкости – с разомкнутым и замкнутым потоком; по наличию управления и типу управляющего устройства – с дроссельным, машинным (объемным), с машинно-дроссельным типами управления, с управлением приводящим двигателем или без управления.

По задаче управления гидроприводы с автоматическим управлением классифицируются на стабилизирующие (скорость выходного звена постоянна), программные (изменяется по заданной программе) и следящие (скорость выходного звена изменяется по определенному закону в зависимости от заданного воздействия).

Наибольшее применение в технике получили насосные гидроприводы, в которых рабочая жидкость от насоса поступает в гидродвигатель. Насосный гидропривод, в котором

дорожные, сельскохозяйственные машины и др.) применяют гидроприводы в нераздельном исполнении, в которых насос, гидромоторы и гидроаппаратура расположены в общем корпусе, образуя компактную гидротрансмиссию.

2.3.2.Регулирование объемного гидропривода

Как было отмечено выше, объемный гидропривод регулируют несколькими способами. Наибольшее распространение получили дроссельный и объемный способы регулирования.

Наиболее простым является дроссельный способ регулирования.

При дроссельном регулировании возможны два принципиально разных способа включения регулирующего дросселя: последовательно с гидродвигателем (см. рис. 2.26.а, б) и параллельно ему (см. рис. 2.26.в.).

Последовательное включение дросселя может быть осуществлено в трех вариантах: дроссель включен на входе в гидродвигатель, на выходе из гидродвигателя и на входе и выходе одновременно.

При последовательном включении дросселя (см. рис. 2.26.а, б) расход жидкости, поступающей в гидродвигатель, равен расходу ее через дроссель:

где – р1 и р2 – давление соответственно перед дросселем и за ним.

Если пренебречь потерями давления в гидролиниях и гидрораспределителе, то давление

где F - усилие на штоке гидроцилиндра.

Следовательно, средняя скорость поршня гидроцилиндра

Из формулы (2.73.) видно, что скорость поршня зависит от площади проходного сечения дросселя и усилия на штоке.

Если вместо гидроцилиндра будет использован гидромотор, то частота его вращения

где K=Vм/(2π) – коэффициент момента.

Последовательное включение дросселя на входе позволяет регулировать скорость гидродвигателя только в том случае, если направление действия нагрузки не совпадает с направлением движения выходного звена.

Регулирование при расположении дросселя на выходе имеет ряд преимуществ перед регулированием с установкой дросселя на входе. Тепло, выделяющееся при дросселировании жидкости, отводится непосредственно в бак, не нагревая гидродвигатель. В этом случае не имеет значения направление действия внешней нагрузки, так как при любом ее направлении поршень будет испытывать значительное сопротивление.

Из нагрузочной характеристики гидропривода с дросселем на входе, полученной при различных открытиях дросселя, видно, что максимальная скорость поршня будет при