Глава 2 Поршневые (возвратно-поступательные) насосы

§ 1 Основные понятия. Схемы.

Поршневые насосы подразделяются:

1. по конструкции вытеснителя.

- поршневые,

- плунжерные.

2) по приводному механизму.

- кривошипные,

- кардановые.

В поршневом насосе жидкость вытесняется из неподвижных рабочих камер в результате возвратно-поступательного движения вытеснителей (поршней, плунжеров).

Рис. 2.1. Схема насоса с кривошипно-шатунным приводом.

а – поршневого,

б – плунжерного.

1 – кривошип,

2 - шатун,

3 – цилиндр,

4 – поршень,

5 – всасывающий клапан,

6 – нагнетательный клапан,

7 – плунжер,

8 – уплотнение,

9 – ползун.

Величина хода h равна двойной величине радиуса кривошипа r.

Принцип работы и расчётные зависимости для плунжерного насоса такие же, как и для поршневого.

Плунжерный насос предпочтительней с точки зрения точности обработки внутренних поверхностей цилиндра. Здесь не нужна точность и доступности ремонта (заменить неподвижные наружные уплотнения всегда проще, чем внутренние подвижные).

Рис. 2.2. Принципиальная схема однопоршневого насоса с кулачковым приводом.

1. Нагнетательный клапан.

2. Поршень.

3. Кулачок-эксцентрик.

4. Цилиндр.

5. Башмак.

6. Всасывающий клапан.

Кулачковые насосы позволяют удобно располагать около общего приводного вала несколько качающих узлов и получать более равномерную подачу. Но, из-за обилия трения (поршень-цилиндр, поршень-шаровый шарнир башмака, башмак-эксцентрик) такие насосымогут работать на смазывающих неагрессивных жидкостях.

Кривошипный механизм позволяет удобно отделить приводную часть от качающей и обеспечить приводную часть отдельной смазкой, что позволяет перекачивать (особенно для плунжерных насосов с выносным ползуном) загрязнённые жидкости и взвеси.

Рабочий объём одноцилиндрового насоса:

, (2.0.)

где h = - ход поршня,

r – радиус кривошипа,

S – площадь поршня

Если количество рабочих камер

(качающих узлов) Z, то:

. (2.1.)

Расчетная подача в единицу времени:

Рис. 2.3. Схема трёхпоршневого насоса с кулачковым приводом.

§ 2 Скорость и ускорение поршня

При повороте кривошипа в направлении стрелки на угол , поршень в цилиндре переместится на величину (См. рис 2.1 а):

(2.3.)

где - длина кривошипа,

- длина шатуна,

- угол между шатуном и осью цилиндра.

Текущая скорость движения поршня определяется, как первая производная пути поршняX по времени:

.

Текущая угловая скорость . С учётом этого:

.

Из равенства ,

.

Тогда:

.

С учётом этого (2.3.) можно переписать:

.

Теперь продифференцируем:

(2.4.)

Поскольку угол очень мал, тоcos= 1, тогда:

(2.5.)

Следовательно, графически скорость движения поршня в цилиндре изменяется по закону суммы полусинусоиды и полной синусоиды.

При расчётах часто принимают шатун бесконечно длинным. Тогда путь, проделанный поршнем, равняется проекции дуги, описанной кривошипом, на ось цилиндра, ибо = 0:

, (2.6.)

, (2.7.)

(2.8.)

Часто бывает удобнее пользоваться, когда значение выражено через положениеX поршня:

,

Тогда:

или (2.9.)

Рис. 2.4. Зависимость скорости поршня от угла поворота кривошипа.

Выражение (2.8.) показывает, что в мёртвых точках () скорость поршня равна нулю, а в среднем положении () скорость максимальна, так как:

(2.10.)

Выражение для средней скорости можно записать в виде:

, (2.11.)

Тогда:

(2.12.)

Для определения ускорения поршня возьмём производную от скорости в выражении (2.8.)

, или с учётомполучим:

, (2.13.)

Если учитывать длину шатуна из (2.5.), то

(2.14.)

Если подставить в (2.4.) , то получим:

. (2.15.)

Из (2.13.) следует, что максимальное ускорение при , а в среднем положении () ускорение.

Рис. 2.5. Зависимость ускорения поршня от угла поворота кривошипа.