2. Гидромашины
Основными элементами гидросистем являются ГМ(гидромашины).ГМ– это устройство, создающее или использующее потокРЖ.
ГМ - к ним относятся насосы и гидродвигатели, которых может быть несколько, они служатдля преобразования механической энергии в энергию перемещаемой жидкости (насосы)или для преобразования гидравлической энергии потока в механическую энергию (гидравлическиедвигатели –гидромоторы).
Все ГМпо принципу действияделятся надва основных типа:динамические и объемные (см.рис. 2.1).
Рис. 2.1.Классификация насосов
Динамическая ГМ– в ней взаимодействие ее рабочего органа сРЖпроисходит впроточнойполости,постоянносообщенной с входом и выходомГМ. Для рабочего процесса динамическойГМхарактернывысокие скоростидвижения ее рабочих органов вРЖ.
2.1. Объемные гидромашины
ОГМ (объемная гидромашина) - в ней взаимодействие ее рабочего органа сРЖпроисходит вгерметичнойрабочей камере,попеременно сообщенной с входом и выходомГМ. ВОГМвходная область всегдаотсоединенаот выходной.
К классу ОГМотносятся гидронасосы–генераторыэнергии потока жидкости и гидродвигатели–потребителиэнергии.
В объемных насосах взаимодействие рабочего органа с РЖпроисходит в замкнутых объемах (рабочих камерах), которые попеременно сообщаются с полостями всасывания и нагнетания.
Рабочий орган, обеспечивающий заполнение камеры РЖ, а затем ее вытеснение, называетсявытеснителем. Рабочий процесс такойГМзаключается всиловомвзаимодействии вытеснителяГМ и РЖ.
Важнейшим свойством ОГМявляетсягерметичность.У всех объемных насосов рабочая камера в любой момент времени соединена или с полостью всасывания, или с полостью нагнетания – эти полости всегдаизолированыдруг от друга – всасывающий и напорный трубопроводы также разделены.
Герметичностьпозволяет обеспечить значительноеразряжениево всасывающей полости насоса. Это обеспечиваетсамовсасывание- подъемРЖво всасывающем трубопроводе перед началом нагнетания.
Объемные насосы отличаются жесткостью характеристики – малой зависимостью подачи насоса от развиваемого им давления. Идеальная подача совсем не зависит от давления (характеристики лопастных насосов обычно пологие).
По сравнению с динамическими, объемные насосы имеют существенный недостаток – неравномерность подачи - нагнетаниеРЖ происходитотдельными объемами(порциями).
По характеру движения рабочего органа все объемные насосы разделяются на две группы: возвратно-поступательные (поршневые) и роторные (см. рис. 2.1).
Роторные насосы имеютподвижныерабочие камеры, и у них отсутствуют клапаны /4,8/.
2.1.1. Возвратно-поступательные (поршневые) насосы
ВПН (возвратно-поступательные насосы) имеютдва отличия, которые во многом определяют их свойства и параметры.Первым из них являетсянеподвижностьрабочей камерыотносительно корпуса насоса.Второеотличие –наличиевпускного и выпускногоклапанов, которое служит для соединения рабочей камеры с полостями всасывания и нагнетания.
В ВПНсиловое взаимодействие рабочего органа с жидкостью происходит внеподвижных рабочих камерах, которые попеременно сообщаются с полостями всасывания и нагнетания за счет впускного и выпускногоклапанов.
В качестве рабочего органа (вытеснителя) в ВПН используются поршень, плунжер или гибкая диафрагма. Поэтому такие насосы подразделяютсяна поршневые, плунжерные и диафрагменные.
По способу привода ВПНподразделяются на прямодействующие и вальные. Приводпрямодействующегонасоса осуществляется за счет возвратно-поступательного воздействиянепосредственнона вытеснитель.Вальный насос приводится за счет вращения ведущего вала, котороепреобразуетсяв возвратно-поступательное движение при помощи кулачкового илиКШМ(кривошипно-шатунного механизма.).
На рис. 2.2,априведена схемаПН(поршневого насоса)однократного действиясвальнымприводом с помощьюКШМ. Приводной вал7 через кривошип6радиусомr и шатун5приводит в движениепоршень3площадьюS, который движется возвратно-поступательно в корпусе (цилиндре)4. Насос имеет два подпружиненныхклапана: впускной1и выпускной2.Рабочей камерой данного насоса является пространство слева от поршня, ограниченное корпусом4и крайними положениями поршня3(нарис. затемнено). При движении поршня3вправоРЖ через впускной клапан1заполняет рабочую камеру, т.е. обеспечиваетсявсасывание. При движении поршня влевоРЖнагнетается в напорный трубопровод через выпускной клапан2.
Рис. 2.2. Насосы возвратно-поступательного движения:
а – поршневой; б – плунжерный; в – диафрагменный; 1 - впускной клапан; 2 – выпускной клапан; 3 – поршень; 4 – корпус (цилиндр); 5 – шатун; 6 – кривошип; 7 – вал; 8 – впускная проточка; 9 - плунжер; 10 – пружина; 11 – кулачок; 12 – диафрагма; 13 – шток
Рассматриваемый насос имеет одну рабочую камеру (z=1), и за один оборот вала7поршень3совершает один рабочий ход, т.е. это насосоднократногодействия (k=1). Рабочий ходl поршня3равен двум радиусам кривошипа6-l = 2r. Рабочий объем насоса равен объему рабочей камеры и составляетq = 2r S.
Насосы с поршнем в качестве вытеснителя являются самыми распространенными из ВПН. Они могут создавать значительные давления (до30-40 МПа). Также выпускаются насосы, рассчитанные на значительно меньшие давления (до1-5 МПа). Скоростные параметры этих насосов (число рабочих циклов в единицу времени) во многом определяется конструкциейклапанов,так как они являютсянаиболее инерционнымиэлементами. Насосы с подпружиненными клапанами допускаютдо 100-300рабочих циклов в минуту. Насосы с клапанами специальной конструкции позволяют получатьдо 300-500 циклов в минуту.
В поршневых насосах существуют все три вида потерь: объемные, гидравлические и механические.Объемные КПД ηо большинства поршневых насосов составляют0,85-0,98.Гидравлические КПД ηг, определяемые потерямив клапанах, находятся в пределах0,8-0,9: амеханические КПД ηм – 0,94-0,96.Полный КПДηп для большинстваПН составляет0,75-0,92.
Значительно реже применяют насосы с плунжеромв качестве вытеснителя. У этих насосов существенно больше поверхность контакта между корпусом и вытеснителем, что позволяет значительно лучше уплотнить рабочую камеру.Плунжерныенасосы обычно изготавливают с высокой точностью, поэтому они являются весьма дорогими, но позволяют получать очень большие давления – до150-200 МПа.
На рис. 2.2,бприведена схемаплунжерногонасоса скулачковым приводом.Ведущий вал приводит во вращение кулачок11,который воздействует наплунжер9, совершающий возвратно-поступательные движения в корпусе (цилиндре)4, причем движение плунжера влево обеспечивается кулачком11, а ответный ход – пружиной10. Данный насос имееттолько один клапан – выпускной2. Отсутствие впускного клапана является особенностью насосов, используемых на дизелях. Их топливные системы обычно имеют вспомогательные топливно-подкачивающие насосы, и заполнение рабочей камеры плунжерного насоса обеспечивается через впускную проточку8.
Основной областью использования плунжерных насосов являются системы топливоподачи дизелей - секции ТНВД (топливного насоса высокого давления) /8/.
На рис. 2.3показана работа секцииТНВД двигателяЯМЗ-236.Плунжер3и втулка2(гильза) являются основными деталями отдельной секции насоса. Соединенные вместе они образуют плунжерную пару. Плунжер имеет диаметр9 мми ход10 мм. Для создания высокого давления (18 МПа) зазор между плунжером и гильзой не должен превышать0,0015-0,0020 мм(прецизионная сборка). Плунжер может перемещаться внутри гильзы в вертикальном направлении и поворачиваться в зависимости от положения рейкиТНВД.
Все секции ТНВДработают одинаково. Топливо поступает из фильтра тонкой очистки и при нижнем положении плунжера3 (см.рис. 2.3, а,схемаI) через впускное отверстие1подается внутрь втулки2, заполняет надплунжерное пространство4(см. схемыI, VI)и проходит через осевое14и диаметральное15(см. схему V)отверстия к спиральным канавкам11 (см. схемыII, IV).
Рис. 2.3. Плунжерные пары:
а) схемы работы секции насоса; б) схемы изменения количества подаваемого топлива: I – впуск топлива; II – начало подачи; III – конец подачи; IV – максимальная подача; V – половинная подача; VI – отсутствие подачи; 1 – впускное отверстие; 2 – втулка (гильза) плунжера; 3 – плунжер; 4 – надплунжерное пространство; 5 – разгрузочный поясок нагнетательного клапана; 6 – нагнетательный клапан; 7 – седло нагнетательного клапана; 8 – штуцер; 9 – пружина нагнетательного клапана; 10 – канал подвода топлива; 11 – спиральная канавка на плунжере; 12 – канал отвода топлива; 13 – перепускное отверстие; 14 – осевое отверстие в плунжере; 15 – диаметральное отверстие в плунжере
При подъеме плунжера 3(см.рис. 2.3, схемаII) топливо вначале вытесняется из надплунжерного пространства4через впускное отверстие1обратно в топливоподводящийканал10. Когда плунжер перекроет это отверстие, давление в надплунжерном пространстве возрастает, нагнетательный клапан6открывается, сжимая пружину9, пропускает топливо из надплунжерного пространства4в штуцер8и через топливопровод высокого давления – к форсунке.
Впрыск топлива форсункой в камеру сгорания продолжается до тех пор, пока отсечная кромка спиральной канавки 11движущегося вверх плунжера3не начнет открывать перепускное отверстие13(рис. 2.3, схемаIII), соединяющее надплунжерное пространство4с топливоотводящимканалом12. Давление в надплунжерном пространстве резко снижается и нагнетательный клапан6 (см. схемуI)под действием давления топлива и пружины9садится на седло7 (см. схемуII). В топливопроводе остается избыточное давление8-10 МПа, что обеспечивает стабильность при малой подаче топлива.
Режим работы дизеля зависит от количества топлива, подаваемого в цилиндры секциями насоса за один ход плунжера. При повороте плунжера 3 изменяется количество подаваемого топлива.
Если смотреть на плунжер 3сверху, то его поворот против часовой стрелки сопровождаетсяувеличениемколичества подаваемого топлива (рис. 2.3, схемаIV). В этом случаерасстояниеАототсечной кромкиплунжера3до перепускного отверстия13будетнаибольшим.
При повороте плунжера по часовой стрелке количество подаваемого топлива снижается(рис. 2.3, схемаV), так как перепускное отверстие13открывается раньше.
Подача топлива прекращаетсяпри совмещении диаметрального отверстия15 плунжера с перепускным отверстием13(рис. 2.3, схемаVI), так как при движении плунжера вверх надплунжерное пространство4сообщается сначала с отверстием13, а затем с отверстием1.
Таким образом, при повороте плунжера изменяется момент окончания подачи и, следовательно, количество подаваемого топлива, а момент начала подачи топлива насосом остается неизменным /11/.
Диафрагменныенасосы, в отличие от насосов, рассмотренных ранее, достаточно просты по устройству и в изготовлении и поэтому дешевы. Нарис. 2.2,вприведена схемапрямодействующегодиафрагменного насоса. В корпусе4 закрепленагибкая диафрагма 12, прикрепленная к штоку13. Насос имеет два подпружиненныхклапана: впускной1и выпускной2.Рабочей камерой является объем внутри корпуса4, расположенный слева от диафрагмы12.Рабочий процесс диафрагменного насоса не отличается от рабочего процессаПН.
Диафрагменные насосы не могут создавать высокое давление, так как оно ограничено прочностью диафрагмы (мембраны). Его максимальное значение в большинстве случаев не превышает 0,1-0,3 МПа.
Диафрагменные насосы нашли применение в топливных системах карбюраторных двигателей. На рис. 2.4показан топливный насос двигателя автомобиля. Отлитые из цинкового сплава корпус2, головка7и крышка6соединены между собой винтами. Краямембраны3зажаты между корпусом и головкой насоса. В центральной части мембраны закреплен шток10. В головке7насоса смонтированыклапаны:двавсасывающих4иодин нагнетательный8. Над всасывающими клапанами размещен сетчатый фильтр5. Рычаг1ручной подкачки закреплен неподвижно на валике11и удерживается в нижнем положении пружиной, установленной на валике между рычагом и корпусом насоса.
В корпусе 2на оси14установлен рычаг13, прижимаемый пружиной12к эксцентрику распределительного вала двигателя. Вильчатым концом рычаг13охватывает шток10мембраны 3, которая отжимается вверх пружиной9. Когда рычаг13, сжимая пружину9, перемещает через шток10мембрану 3 вниз, над ней создаетсяразрежение, под действием которого топливо поступает в полость над мембраной, проходя сетчатый фильтр5и всасывающие клапаны4.
Рис. 2.4. Топливный насос двигателя автомобиля:
1 – рычаг ручной подкачки; 2 – корпус; 3 – мембрана; 4 - всасывающий клапан; 5 – фильтр; 6 – крышка; 7 – головка; 8 – нагнетательный клапан; 9 – пружина мембраны; 10 – шток; 11 – валик рычага ручной подкачки; 12 – пружина рычага; 13 – рычаг; 14 – ось
Вверхмембрана перемещается под действиемпружины9, когда рычаг13не удерживает шток10. Под давлением топлива открывается нагнетательный клапан8(всасывающие клапаны4 при этом закрыты), и топливо поступает в головку7и затем в трубопровод, идущий к карбюратору.
Для снижения неравномерности подачи применяют два способа.Первый– применениемногокамерныхнасосов, предпочтение следует отдавать насосамс нечетным числом камер.Второй– установка на выходе насосовгидравлических аккумуляторов.Вместо термина «гидроаккумулятор» в литературе используется также термин «воздушный колпак» /8/.