Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

Шейпак А.А. Гидравлика и гидропневмопривод (часть 2)

.pdf
Скачиваний:
2368
Добавлен:
02.05.2014
Размер:
12.36 Mб
Скачать

Из анализа формул (5.3) и (5.4) следует, что рабочий объем Wо увеличивается пропорционально увеличению числа зубьев z (или z + 1) и пропорционально квадрату модуля m. Таким образом, при сохранении одних и тех же размеров насоса целесообразнее увеличивать модуль зацепления m за счет снижения числа зубьев z. Однако это приводит к уменьшению числа рабочих камер и снижению равномерности подачи насоса. На практике обычно применяют насосы с числом зубьев z = 8…18.

Выше была рассмотрена простейшая конструкция шестеренного насоса с внешним зацеплением. Для улучшения эксплуатационных показателей этих насосов их конструкции несколько усложняют.

Так, для лучшего уплотнения боковых (торцевых) зазоров в насосах применяют специальные плавающие втулки, которые давлением насоса поджимаются к боковым поверхностям шестерен. Тем самым, при повышении давления автоматически повышается герметичность насоса.

Для повышения герметичности зубчатое зацепление часто выполняют с большим коэффициентом перекрытия, что позволяет значительное время в контакте находится сразу двум парам зубьев. Однако это увеличивает замкнутые объемы в месте зацепления. Запертая жидкость в ограниченных объемах между зубьями сжимается, что приводит к скачкам давления. Для устранения отмеченных скачков в торцевых поверхностях корпуса в зоне зацепления устраивают специальные компенсационные канавки.

У некоторых шестеренных насосов для снижения радиальных нагрузок устраивают разгрузочные каналы в боковых поверхностях корпусов, удаленных от полостей всасывания и нагнетания.

Шестеренные насосы с внешним зацеплением получили широкое распространение в машиностроении, так как просты в изготовлении и надежны в эксплуатации. Эти насосы выпускаются как для гидросистем с высокими давлениями (до 15…20 МПа), так и для гидросистем с более низкими давлениями (1…10 МПа). Первые применяются в гидросистемах тракторов, дорожно-строительных и сельскохозяйственных машин. Вторые используются в станочных гидроприводах, а также в гидросистемах поршневых двигателей. Рекомендованные частоты вращения большинства шестеренных насосов с внешним зацеплением лежат в пределах 1000…2500 об/мин. Полные КПД этих насосов обычно составляют 0,75…0,85, а объ-

емные КПД – 0,85…0,95.

Шестеренные насосы обозначаются на большинстве гидравлических схем одним их символов, приведенным на рис. 5.7. Однако в случае необходимости эти насосы могут быть также обозначены символом, предназначенным только для этих насосов. Он приведен на рис 5.8,б.

Кроме шестеренных насосов с внешним зацеплением, известны также шестеренные насосы с внутренним зацеплением (рис.5.9,а): шестерня 1 меньших размеров располагается внутри более крупного зубчатого колеса 2. Оба зубчатых колеса находятся в зацеплении и вращаются относительно неподвижного корпуса 3, причем ведущей является внутренняя шестерня.

121

Рабочими камерами, как и в случае насоса с внешним зацеплением, являются впадины зубьев. Всасывающие и напорные трубопроводы подводятся к торцевым поверхностям насоса и заканчиваются полостями всасывания и нагнетания (на рис. 5.9 показаны штрих-пунктирными линиями). Необходимой деталью насоса с внутренним (эвольвентным) зацеплением является неподвижный серпообразный разделительный элемент 4, который служит для разделения полостей всасывания и нагнетания.

Рис. 5.9. Шестеренные насосы с внутренним зацеплением: а) с эвольвентным зацеплением; б) героторный

Принцип действия данного насоса аналогичен принципу действия шестеренного насоса с внешним зацеплением, а траектория движения жидкости в таком насосе показана на рис. 5.9,а.

Шестеренные насосы с внутренним зацеплением компактнее и могут работать при больших скоростях вращения. Однако они создают меньшие давления (обычно не более 5…7 МПа). Из-за указанного обстоятельства и более сложной конструкции (по сравнению с насосами с внешним зацеплением, они не нашли широкого применения).

Разновидностью насосов с внутренним зацеплением является героторный насос (рис. 5.9,б), в котором используется специальное зацепление. За счет этого профиля зацепления и соотношения числа зубьев (внешняя шестерня имеет на один зуб больше внутренней) в героторных насосах отсутствуют разделительные элементы. Достоинством героторного насоса, помимо компактности и надежности, является то, что в отличие от обычного шестеренного насоса жидкость в нем совершает короткий путь. Это позволяет эксплуатировать его на повышенных скоростях вращения (до

5000 об/мин).

122

5.5. Пластинчатые насосы

Пластинчатый насос – это роторно-поступательный насос с рабочими органами (вытеснителями) в виде плоских пластин. Пластинчатые насосы могут быть однократного, двукратного и многократного действия.

На рис. 5.10,а представ-

 

лена конструктивная

схема

 

пластинчатого

насоса

одно-

 

кратного действия. В пазах

 

вращающегося ротора 4, ось

 

которого

смещена

относи-

 

тельно

оси

неподвижного

 

статора 6 на величину экс-

 

центриситета е, установлены

 

несколько пластин 5. Вра-

 

щаясь вместе с ротором, эти

 

пластины одновременно со-

 

вершают возвратно-поступа-

 

тельные движения в пазах 7

 

ротора. Рабочими камерами

 

насоса являются объемы 1 и

 

3, ограниченные соседними

 

пластинами, а также поверх-

Рис. 5.10. Пластинчатый насос:

ностями

ротора 4

и

стато-

ра 6.

 

 

 

 

а) конструктивная схема;

 

 

 

 

 

б) условное обозначение

При вращении ротора рабочая камера 1, соединенная с полостью всасывания, увеличивается в объеме и происходит её заполнение жидкостью. Затем она переносится в зону нагнетания и соединяется с напорным трубопроводом. При дальнейшем перемещении её объем уменьшается, и происходит вытеснение жидкости пластиной 5 (на рис. 5.10,а из рабочей камеры 3). Затем соответствующая пластина переносится от полости нагнетания к полости всасывания, и рабочий цикл повторяется.

Для определения рабочего объема пластинчатого насоса Wо может быть использована формула (см. 5.1), при этом объем рабочей камеры Wк следует определять в её крайнем левом положении, т.е. когда она изолирована от полостей всасывания и нагнетания. В этом случае её объем опреде-

ляется соотношением:

 

Wк = h l b ,

(5.5)

где b и h – ширина пластины и средняя высота рабочей камеры (h 2e); l – длина серединной дуги между двумя пластинами.

Длина l может быть приближенно определена по диаметру ротора D с учетом толщины δ и количества пластин z, т.е. l = π D z - δ. Тогда исполь-

123

зуя формулы (5.1) и (5.5), получим приближенную зависимость для вычисления рабочего объема пластинчатого насоса:

Wo = 2e (π D − δ z) b k .

(5.6)

Из анализа последней формулы следует, что для увеличения рабочего объема пластинчатого насоса Wо при сохранении его габаритов, т.е. сохранения размеров D и b, необходимо увеличивать величину эксцентриситета е.

 

Кроме того, рабочий объем

 

пластинчатого насоса может быть

 

увеличен за счет кратности его ра-

 

боты k

(5.6), что достаточно ши-

 

роко применяется на практике. На

 

рис. 5.11 приведена конструктив-

 

ная схема пластинчатого насоса

 

двукратного действия.

Внутренняя

 

поверхность такого насоса имеет

 

специальный профиль, что позво-

 

ляет каждой пластине за один обо-

 

рот вала дважды производить по-

Рис. 5.11. Пластинчатый насос

дачу жидкости. У пластинчатого

двукратного действия

насоса

двукратного

действия

 

имеются две

 

полости всасывания 1, которые объединены одним трубопроводом, и две полости нагнетания 2, также объединенные общим трубопроводом. На практике применяются насосы и с большей кратностью, но их конструкции сложнее, поэтому использование таких насосов ограничено.

Основной конструктивной проблемой пластинчатых насосов является уплотнение в месте контакта пластины и корпуса (точка 2 на рис. 5.10,а). В разных насосах поджатие пластины к корпусу (точка 2) обеспечивается различными способами. В насосах с высокими скоростями вращения это может быть получено за счет центробежных сил. В конструкции на рис. 5.10,а это обеспечивают пружины, установленные в пазах 7. В насосах, рассчитанных на большие давления, поджатие обычно достигается за счет давления, подводимого в пазы 7. В таких конструкциях сила поджатия пластин к корпусу пропорциональна величине создаваемого давления.

В подразделе 5.1 отмечалось, что объемные насосы могут быть регулируемыми, т.е. иметь переменный рабочий объем. Конструкция пластинчатого насоса позволяет обеспечить изменение рабочего насоса. Для этого достаточно сделать вал ротора подвижным, т.е. обеспечить возможность изменения эксцентриситета е за счет перемещения ротора 4 (см. рис. 5.10,а). Такая конструкция позволяет при смещении ротора 4 влево не только уменьшать рабочий объем, а следовательно, и подачу насоса, но и направлять поток жидкости в обратном направлении. Для иллюстрации этого на рис. 5.12 показаны три характерных положения ротора регулируемого пластинчатого насоса.

124

Рис. 5.12. Регулирование подачи пластинчатого насоса: а) прямая подача; б) нулевая подача; в) обратная подача

Следует отметить, что пластинчатые насосы двукратного и многократного действия не могут быть регулируемыми.

Нерегулируемые пластинчатые насосы компактны, просты в производстве и достаточно надежны в эксплуатации. Поэтому они нашли достаточно широкое применение в технике, в первую очередь в станкостроении. По сравнению с шестеренными насосами с внешним зацеплением пластинчатые насосы несколько тяжелее и создают меньшие давления. Их максимальные величины составляют 7…14 МПа. Рекомендуемые частоты вращения пластинчатых насосов обычно лежат в пределах 1000…1500 об/мин. Полные КПД для большинства этих насосов равны 0,6…0,85, а объемные КПД – 0,7…0,92. Отечественной промышленностью выпускаются также регулируемые пластинчатые насосы.

Для обозначения этих насосов на гидравлических схемах в большинстве случаев используются символы, приведенные на рис. 5.7. Однако в случае необходимости эти насосы могут быть также обозначены символом, приведенным на рис 5.10,б.

5.6. Роторно-поршневые насосы

Роторно-поршневой насос – это роторный насос с рабочими органами (вытеснителями) в виде поршней или плунжеров. Роторно-поршневые насосы подразделяются на аксиально-поршневые, у которых возвратнопоступательное движение поршней параллельно оси вращения вала насоса, и радиально-поршневые, у которых возвратно-поступательное движение поршней происходит в радиальном направлении. Аксиально-поршневые насосы в свою очередь выполняются с наклонным диском (шайбой) и с наклонным блоком относительно оси вращения насоса.

На рис. 5.13 представлена конструктивная схема аксиально-поршне- вого насоса с наклонным диском и плунжерами в качестве вытеснителей.

125

Основным элементом насоса является блок 4 с плунжерами 5, который приводится во вращение валом 8 и вращается относительно корпуса насоса (корпус на рис. 5.13 не показан). Плунжеры опираются на упорный подшипник 6 диска 7, наклоненный под углом γ относительно оси вращения. Кроме того, важным элементом насоса является неподвижный торцевой распределитель 1 с окнами 9 и 10. Рабочими камерами насоса являются замкнутые цилиндрические объемы 2 и 3 внутри блока 4.

Рис. 5.13. Аксиально-поршневой насос с наклонным диском

При работе насоса плунжеры 5 вращаются вместе с блоком 4 и одновременно скользят вместе с подшипником 6 по наклонному диску 7. За счет наклона диска 7 и пружин внутри рабочих камер обеспечивается воз- вратно-поступательное движение плунжеров 5 относительно блока 4. При этом рабочие камеры меняют свой объем от минимального (3 на рис. 5.13) до максимального (2 на рис. 5.13) и обратно. Для соединения рабочих камер с трубопроводами служит неподвижный распределитель 1 с дугообразными окнами 9 и 10. Он устроен таким образом, что при увеличении объема рабочей камеры она соединяется со всасывающим трубопроводом через окно 9, а при уменьшении – с напорным через окно 10.

Аксиально-поршневой насос с наклонным блоком 4 (рис. 5.14,а) несколько отличается от конструкции предыдущего насоса. Главное отличие заключается в том, что у него относительно оси вращения (вала 8) наклонен не диск 7, а блок 4. Из-за наклона блока 4 относительно ведущего вала 8 у большинства насосов такой конструкции имеется дополнительный вал 6 с шарнирами для передачи крутящего момента от диска 7 на блок 4. Вытеснителем в таких насосах, как и в насосах с наклонным диском, могут быть плунжеры или поршни. В приведенной конструкции ими являются поршни 5. У аксиально-поршневых насосов с наклонным блоком для соединения рабочих камер 2 и 3 с полостями всасывания и нагнетания име-

126

W= Sп D sin γ.

ется такой же торцевой распределитель 1, как и в насосе с наклонной шай-

бой (см. рис.5.13).

Рис. 5.14. Аксиально-поршневой насос с наклонным блоком: а) конструктивная схема; б) условное обозначение

Принцип работы насоса с наклонным блоком не отличается от принципа работы ранее рассмотренного насоса. В данной конструкции возврат- но-поступательное движение поршней 5 обеспечивается за счет жесткой кинематической связи между ними и диском 6. Однако это отличие не является принципиальным, так как аналогичные конструкции вытеснителей используются и в насосах с наклонными дисками.

Для определения рабочего объема роторно-поршневого насоса используем формулу (5.1). Объем рабочей камеры Wк для обеих разновидностей этих насосов найдем как произведение площади поршня Sп на его рабочий ход l, т.е. Wк = Sп l. Однако величина рабочего хода l для этих насосов будет определяться по разным зависимостям. Для их определения на рис. 5.13 и 5.14,а построены треугольники, связывающие величины l с диаметрами D и углами γ. Из геометрических соотношений следует, что для насоса с наклонным диском – lд = D tg γ, а для насоса с наклонным блоком – lб = D sin γ. Подставив отмеченные зависимости в формулу (5.1), получим математические выражения для рабочих объемов аксиальнопоршневого насоса с наклонным диском Wод и аксиально-поршневого насоса с наклонным блоком Wоб:

W= Sп D tg γ (5.7) и (5.8)

Аксиально-поршневые насосы, так же как и пластинчатые, могут быть регулируемыми, т.е. у них может быть предусмотрена возможность изме-

127

нения рабочего объема в процессе работы. Это обеспечивается за счет изменения угла γ наклона диска 7 (у насоса с наклонным диском, рис. 5.13) или угла γ наклона блока 4 (у насоса с наклонным блоком, рис. 5.14,а). В обоих случаях в соответствии с формулами (5.7) - (5.8) это приводит к изменению хода вытеснителя и рабочего объема насоса.

Аксиально-поршневые насосы отличаются от насосов, рассмотренных ранее, бóльшей сложностью изготовления и, как следствие, большей стоимостью. Однако они имеют существенно лучшие эксплуатационные характеристики. Из всех роторных насосов аксиально-поршневые насосы создают самые высокие давления (до 30…40 МПа). Они могут работать в широком диапазоне изменения частот вращения (в пределах 500…4000 об/мин и шире). Для большинства аксиально-поршневых насосов полные КПД составляют 0,90…0,92, а объемные КПД – 0,95…0,98. Насосы данного типа наибольшее распространение получили в авиации и машинах для строительных и дорожных работ, а также достаточно широко используются в сельскохозяйственном машиностроении и станкостроении.

На большинстве гидравлических схем аксиально-поршневые насосы обозначаются одним из символов, приведенным на рис. 5.7. Однако в случае необходимости эти насосы могут быть также обозначены символом,

приведенным на рис 5.14,б.

 

В радиально-поршневых

 

насосах вытеснителями яв-

 

ляются поршни или (чаще)

 

плунжеры, которые распола-

 

гаются радиально, т.е. пер-

 

пендикулярно оси вращения.

 

На рис. 5.15 представлена

 

конструктивная схема ради-

 

ально-поршневого насоса од-

 

нократного действия с плун-

 

жерами в качестве вытесни-

 

телей. Основным элементом

 

насоса является ротор, или

Рис. 5.15. Радиально-поршневой насос:

блок 4 с плунжерами 5, кото-

а) конструктивная схема;

рый вращается относительно

б) условное обозначение

корпусанасоса 6.

 

Ротор 4 установлен в корпусе со смещением оси на величину е, т.е. с эксцентриситетом. Полости всасывания и нагнетания роторно-поршневого насоса располагаются в центре и разделены перемычкой 2.

При работе насоса плунжеры 5 вращаются вместе с ротором 4 и одновременно скользят по корпусу 6. За счет этого действия и пружин внутри рабочих камер обеспечивается возвратно-поступательное движение плунжеров 5 относительно ротора 4. Когда рабочая камера перемещается из верхнего положения (3 на рис. 5.15) в нижнее (1 на рис. 5.15), её объем

128

увеличивается. При этом перемещении она через отверстие в роторе 4 соединена с полостью всасывания, обеспечивается её заполнение рабочей жидкостью – всасывание. При обратном перемещении её рабочий объем уменьшается и происходит вытеснение жидкости в полость нагнетания.

Объем рабочей камеры Wк рассматриваемой конструкции найдем как произведение площади поршня Sп на его рабочий ход l, т.е. Wк = Sп l. Причем из анализа рис. 5.15 следует, что рабочий ход l = 2e. Тогда с учетом (5.1) получим формулу для вычисления рабочего объема насоса:

Wo = 2Sп e k .

(5.9)

В формулу (5.9) включена кратность работы насоса k, так как ради- ально-поршневые насосы могут быть двух- и многократного действия. Это обеспечивается за счет создания на внутренней поверхности корпуса специального профиля (например, как у пластинчатого насоса двукратного действия, рис. 5.11). При такой конструкции каждый плунжер совершает два рабочих хода за один оборот вала насоса.

Следует также отметить, что радиально-поршневые насосы могут быть регулируемыми. В регулируемом радиально-поршневом насосе изменение рабочего объема обеспечивается за счет смещение ротора 4 относительно корпуса 6, т.е. за счет изменения эксцентриситета е.

Радиально-поршневые насосы применяются существенно реже, чем аксиально-поршневые. Их главное отличие от других роторных насосов заключается в том, что они выпускаются с большими рабочими объемами.

5.7. Характеристики роторных насосов и насосных установок

Под характеристикой роторного насоса понимают графическую зависимость его давления от подачи. Для построения характеристики насоса прежде всего необходимо определить его теоретическую подачу. Теоретическая (или идеальная) подача любого объемного насоса может быть определена при рабочем объеме Wo и частоте его вращения n по соотношению: Qт =Wo n . (5.10)

Такая подача насоса существует при нулевом давлении на выходе насоса (точка А на рис. 5.16). Как следует из формулы (5.10), теоретическая подача не зависит от давления насоса и поэтому представляет собой прямую вертикальную линию (линия 1 на рис. 5.16).

Действительная подача насоса меньше теоретической на величину объемных потерь, т.е. потерь на утечки и перетечки жидкости из полостей с высокими давлениями. Такие утечки через зазоры существуют в любом, самом технически совершенном насосе. Из-за малой величины поперечных размеров зазоров и значительной вязкости жидкости эти утечки носят ламинарный характер, т.е. их величина пропорциональна давлению насоса (qут p). Отсюда следует, что действительная характеристика насоса представляет собой прямую линию, наклоненную в сторону снижения подачи (линия 2).

129

На графике (рис. 5.16) видно, что величина утечек qут растет пропорционально росту давления p (qут > qут), а его действительная подача c ростом давления уменьшается (Qн < Qн). Отметим: чем технически совершеннее насос, тем меньше у него утечки и меньше наклон линии 2. Действи-

 

тельная

характеристика

может

 

быть построена при известной ве-

 

личине объемного КПД насоса ηо.

 

Например, известен

объемный

Рис. 5.16. Характеристика насоса

КПД

ηо

насоса при

давлении

и насосной установки

р = р'. Тогда, с учетом формулы

(1.17),

следует вычислить подачу

 

 

насоса, соответствующую

этому

 

давлению Q' = Qи ηо и на график

 

нанести

соответствующую

точку

 

(точка В).

 

 

А затем, соединив точки А и В прямой линией (линия 2), получим действительную характеристику объемного насоса. Таким образом, характеристика объемного насоса представляет собой наклонную прямую линию.

При такой характеристике для небольшого изменения подачи насоса требуется весьма существенное повышение давления. Однако на практике часто бывает необходимо изменять подачу в широком диапазоне без значительного повышения давления, т.е. регулировать подачу. Для этого необходимо “сломать” линию АВ в какой-то точке С, получив тем самым линию 3. Тогда на этом участке CD характеристики можно существенно изменять подачу при небольшом изменении – давления. Характеристика АСD может быть получена только с помощью дополнительных устройств и поэтому будет являться характеристикой не насоса, а насосной установки. Под насосной установкой понимают насос с дополнительными устройствами, обеспечивающими его работу с необходимыми параметрами и требуемой характеристикой.

Линию 3 иногда называют регуляторной ветвью характеристики насосной установки. На практике эту ветвь получают двумя способами: с помощью переливных клапанов и с помощью регуляторов подачи.

На рис. 5.17,а представлена схема насосной установки, которая включает насос 4 и переливной клапан 2. Основным элементом клапана является подпружиненный поршень 3. Рассмотрим работу приведенной установки. Пока давление насоса мало, поршень 3 под действием пружины занимает крайнее верхнее положение и перекрывает регулирующую щель 1.

130