
- •Гидропривод основные элементы объёмного гидропривода
- •Гидравлические машины
- •Поршневые насосы
- •Центробежные насосы
- •Полезной мощностью центробежного насоса называется мощность, отдаваемая насосом жидкости, проходящей через напорный патрубок; он определяется по формуле:
- •Гидравлические двигатели
- •Направляющая аппаратура
- •Регулирующая аппаратура
- •Гидравлические коммуникации и их соединения
- •Системы очистки рабочей жидкости
- •Накопители энергии
- •Пневмопривод
- •21.2. Основные требования к монтажу, наладке и эксплуатации элементов пневмосети
- •Глава 22
- •22.1.2. Объемные компрессоры
- •22.1.3. Охлаждение газа в компрессорах
- •Привод поршневого компрессора
- •22.2. Пневматические двигатели
- •22.2.1. Пневматические цилиндры
- •22.1.1. Динамические компрессоры
- •Центробежные компрессоры
- •Холодильные агенты и хладоносители
- •Физико-химические требования
- •Характеристика холодильных агентов
- •Хладоносители
- •Проверь свои знания
- •Классификация компрессоров
- •Открытый компрессор фв-6
- •Бессальниковый компрессор фвбс-6
- •Герметичный компрессор фг
- •Контрольные вопросы
- •Теплообменные аппараты холодильных машин
- •Испарители
- •Испаритель типа ирсн
- •Воздухоохладитель
- •Испаритель для охлаждения рассола
- •Конденсаторы
- •Конденсаторы с воздушным охлаждением
- •Конденсаторы с водяным охлаждением
- •Конденсатор кожухозмеевиковый
Гидравлические машины
Гидравлической машиной (гидромашиной) называется машина, предназначенная для преобразования различных видов механической энергии в механическую энергию жидкости, или наоборот. Гидравлические машины разделяются на насосы и гидродвигатели, причем те и другие также делятся на динамические и объемные. К динамическим насосам относятся лопастные (центробежные, осевые) и насосы трения (шнековые, червячные и др.). К динамическим гидродвигателям относятся турбины (активные и реактивные). Все остальные объемные гидромашины и гидроаппаратура для них предназначены для объемного гидропривода. Ниже рассматриваются основные конструкции и принцип действия насосов, применяемых в гидроприводах.
НАСОСЫ
Насос служит для преобразования энергии двигателя, приводящего его в действие, в энергию потока рабочей жидкости. Наиболее широко применяют пластинчатые, шестерённые, аксиально- и радиально-поршневые насосы. Независимо от их конструктивных особенностей, все они имеют изолированные рабочие камеры. В процессе работы объем части камер сначала увеличивается, масло из всасывающей линии заполняет их, а объем другой части камер уменьшается и масло вытесняется в напорную линию.
Поршневые насосы
Устройство и принцип действия
Поршневые насосы для подачи воды и других жидкостей представляют собой простейшие объемные гидравлические машины с возвратно-поступательным движением поршня в гидроцилиндре.
На рис. 1 приведена схема поршневого насоса одностороннего действия. В гидроцилиндре 1 поршень 2 со штоком 6 диаметром d совершает возвратно-поступательное движение. При движении поршня вправо объем жидкости в рабочей камере 4 увеличивается, а давление в ней уменьшается и жидкость из резервуара по всасывающей трубе 3 через всасывающий гидроклапан Кв поступает в рабочую камеру. Так происходит процесс всасывания при закрытом напорном гидроклапане Кн. При движении поршня влево объем жидкости в рабочей камере уменьшается, а давление в ней повышается. Под действием давления всасывающий гидроклапан Кв закрывается, а напорный гидроклапан Кн открывается и жидкость из рабочей камеры вытесняется через напорный гидроклапан Кн в напорный трубопровод 5. Далее при вращении кривошипа 7 описанный цикл поршневого насоса повторяется.
В поршневом насосе одностороннего действия при ходе поршня вправо в гидроцилиндр засасывается объем жидкости, равный
V = FS,
где F — площадь поршня F = nD2/4; S — ход поршня, S = 2 r для насосов с кривошипно-шатунным механизмом (r – радиус кривошипа).
Рис. 1
При ходе поршня влево этот объем выталкивается в напорный трубопровод. Следовательно, поршневой насос одностороннего действия за один оборот кривошипа делает одно всасывание и одну подачу.
Теоретическая подача поршневого насоса одностороннего действия определяется по формуле Qт = FSn, где п — частота вращения кривошипа.
Действительная подача QД будет несколько меньше теоретической, так как открытие и закрытие напорного и всасывающего клапанов происходит с некоторым запаздыванием, а также вследствие пропуска жидкости через уплотнения поршня и штока. Эта разница учитывается объемным коэффициентом полезного действия n0. Тогда действительная подача поршневого насоса одностороннего действия.
QД = 0FSn, (1)
т. е. подача поршневого насоса пропорциональна частоте вращения кривошипа и не зависит от напора.
Рис. 2
Схема однопоршневого насоса двустороннего действия показана на рис. 2, где 1 — рабочая камера, 2 — напорный трубопровод, 3 — цилиндр, 4 — поршень, 5 — шток, 6 — всасывающий трубопровод. При движении поршня влево всасывающий гидроклапан К’в закрыт, а напорный гидроклапан К’н открыт и через него насос подает в напорный трубопровод за один ход S в одном направлении объем жидкости V1 = FS.
В это время в правой рабочей камере жидкость будет засасываться через всасывающий гидроклапан К“в, а напорный гидроклапан К”Н будет закрыт. При движении поршня вправо засасывание будет происходить через всасывающий гидроклапан К’в, а подача - через напорный гидроклапан К”Н; при этом насос за один ход S в другом направлении с учетом площади штока f подаст объем жидкости V2 = (F – f) S, где f = d2/4.
Следовательно, за один двойной ход поршня (один оборот коленчатого вала) объём подаваемой жидкости насосом в напорный трубопровод равен
V = V1 + V2 = FS + (F – f) S = (2 F – f) S.
Действительная подача однопоршневого насоса двустороннего действия
Q = 0 (2 F – f) Sn. (2)
Трехпоршневой насос одностороннего действия (рис.3) состоит из трех однопоршневых насосов одностороннего действия, имеющих общий коленчатый вал.
Рис. 3
Кривошипы таких насосов расположены под углом 120° по отношению друг к другу. Подача жидкости трехпоршневым насосом за один оборот коленчатого вала составляет V = 3 FS. Действительная подача трехпоршневого насоса одностороннего действия равна
Q = 3 0FSn. (3)
Трехпоршневые насосы имеют общие всасывающий и напорный трубопроводы.
Двухпоршневые насосы двустороннего действия состоят из двух насосов двустороннего действия, имеющих общие всасывающий и напорный трубопроводы. Действительная подача двухпоршневого насоса двустороннего действия равна
Q = 2 0 (2 F – f) Sn. (4)
Вертикальный поршневой погружной насос
Поршневые погружные насосы применяются для подъема жидкости из скважин и глубоких шахтных колодцев. На рис. 4 показана схема такого насоса одностороннего действия. В обсадную трубу скважины опускается труба 6 с присоединенной к ней всасывающей трубой 1. В нижнюю часть трубы 6 вмонтирован гидроцилиндр 2 с полым поршнем 3. Поршень хомутом 4 соединен со стержнем 5, а в его отверстие помещен напорный гидроклапан КН. В дне гидроцилиндра имеется всасывающий гидроклапан КВ.
Поршень приводится в движение от кривошипно-шатунного механизма лебедки, которая располагается на поверхности земли около устьяскважины и совершает возвратно-поступательное движение. При подъеме поршня всасывающий гидроклапан КВ открывается и происходит засасывание жидкости в гидроцилиндр. При опускании поршня всасывающий гидроклапан закрывается, давление в гидроцилиндре повышается, в результате чего открывается напорный гидроклапан КН и жидкость через сквозное отверстие поршня устремляется в трубу 6 и далее поступает в напорную трубу 7.
Для откачки жидкости из очень глубоких скважин применяют двухступенчатые (Двухступенчатым называется насос, в котором жидкость перемещается последовательно двумя комплектами рабочих органов) погружные насосы.
Подача погружного насоса простого действия определяется по формуле
Q = 0FSn, (.5)
где 0 – объемный к. п. д. погружного наcoca (0,7 0 0,85).
Погружные насосы имеют следующие недостатки: стержни часто повреждаются, осмотр и ремонт их требует значительного времени; уплотнение поршней быстро изнашивается; при попадании песка в гидроцилиндр происходит заклинивание поршня в гидроцилиндре.
Вследствие этих недостатков погружные поршневые насосы заменяются динамическими осевыми насосами и гидроэлеваторами, описание которых приводится ниже.
Графики подачи
При рассмотрении рабочего процесса поршневых насосов видно, что за один оборот вала кривошипа поршень насоса проходит путь 2 S. При частоте вращения n (мин—1) поршнем будет пройден путь 2 Sn. Таким образом, средняя скорость (м/с) движения поршня может быть определена из выражения
vСР = 2 Sn/60 = Sn/30 (6)
Однако в каждый момент времени мгновенные скорость vM и подача QM отличаются от средних значений и зависят от угла поворота вала кривошипа (рис. 5).
Формулы для вычисления приближенных значений vM и QM для однопоршневого насоса одностороннего действия имеют вид:
Рис. 4 vM = r sin , (7)
QM = Fr sin , (8)
где — угловая скорость кривошипа.
Из формул (7) и (8) видно, что vM и QM изменяются по синусоидальному закону. Это изменение можно выразить графически и таким образом определить степень неравномерности
подачи, т.е. установить, во сколько раз максимальная подача превосходит среднюю.
Рис. 5
На рис. 6, а приведена синусоидальная зависимость мгновенной подачи поршневого насоса одностороннего действия от угла поворота кривошипа.Площадь синусоиды заменим площадью равновеликого прямоугольника с высотой т и основанием 2 r. Тогда т в принятом масштабе – величина средней подачи, а наибольшая высота синусоиды — величина максимальной подачи. Отношение максимальной подачи к средней, т. е. степень неравномерности подачи, определяется выражением
Qmax/Qср = F/m. (9)
Площадь прямоугольника, согласно построению, т2r = FS, но S = 2 r, тогда т2r = FS = F2r,
или
т = F2r/(2r) = F/ (10)
Таким образом, степень неравномерности подачи поршневого насоса
одностороннего действия
(11)
с
ледовательно,
в поршневых насосах одностороннего
действия максимальная подача превосходит
среднюю в 3,14 раза.
В
поршневых насосах двустороннего
действия мгновенная подача производится
обоими поршнями как при ходе вправо,
так и влево. Пользуясь тем же методом
построения графика мгновенной подачи
насоса одностороннего действия, получим
две синусоиды (рис. 6, б),
в этом случае т2r
=
2FS
= 2F2r,
откуда
т
=
2F2r/(2r)
= 2F/.
(12)
Степень
неравномерности поршневого
насоса двустороннего действия
(13)
т.е. максимальная подача поршневого насоса двустороннего действия превосходит среднюю в 1,57 раза.
Рис. 6
Для получения графика мгновенной подачи трехпоршневого насоса одностороннего действия (см. рис. 3) необходимо построить три синусоиды, сдвинутые на 120° одна по отношению к другой, и затем просуммировать их ординаты (рис. 6, в). Площадь диаграммы, ограниченная сверху суммарной кривой, изображает подачу всеми тремя поршнями.
Максимальная подача трехпоршневого насоса одностороннего действия превосходит среднюю в 1,047 раза.
Воздушные колпаки поршневых насосов
Вследствие неравномерности движения поршня скорость жидкости, давление и подача поршневого насоса изменяются с течением времени. Следовательно, движение жидкости будет неустановившимся, а поэтому необходимо учитывать инерционный напор hИН который вызывает дополнительные сопротивления и удары в трубопроводах. Величина инерционного напора определяется уравнением
где D – диаметр поршня; d – диаметр всасывающей трубы; L — длина участка всасывающей трубы, в которой наблюдается неравномерное движение; х — часть хода поршня, соответствующая данному углу поворота кривошипа.
Из уравнения (14) видно, что hИН имеет максимальное значение в начале хода поршня.
Для уменьшения неравномерности движения жидкости в трубопроводах устанавливают воздушные колпаки, которые предназначены для выравнивания скорости движения жидкости в трубопроводах и ослабления гидравлических ударов. Воздушные колпаки устанавливают в непосредственной близости к камерам всасывания (всасывающий колпак 1) и напора (напорный колпак 2) (рис. 7). Установка воздушного колпака на всасывающем трубопроводе дает возможность увеличить высоту всасывания подачу, а на напорном – уменьшить неравномерность подачи.
О
бъем
воздуха в напорных колпаках VК
в долях от рабочего объема гидроцилиндра
FS
принимают: для насосов одностороннего
действия VК
= 22 FS,
для насосов двустороннего действия VК
= 9 FS,
для насосов трехпоршневых одностороннего
действия VК
= 0,5 FS
и для двухпоршневых насосов двустороннего
действия VК
= 2 FS.
Объем воздуха во всасывающих колпаках рекомендуется принимать от 5 до 10 FS независимо от типа поршневого насоса.
Высота всасывания. Напор. Мощность
Геометрической высотой всасывания HГВ горизонтального поршневого насоса называется расстояние по вертикали от уровня жидкости (источника, из которого
Рис. 7 она забирается насосом) до оси поршня или плунжера или
до верхнего положения поршня HВ для вертикального поршневого насоса (рис. 8), где 1 – верхнее положение поршня; 2 – нижнее положение поршня. Высота всасывания поршневого насоса зависит от атмосферного давления, температуры жидкости, ее плотности и частоты вращения кривошипа. С увеличением частоты вращения (числа ходов поршня) высота всасывания уменьшается. Негерметичность в уплотнениях также уменьшает высоту всасывания. Вакуумметрическая высота всасывания поршневого насоса определяется по формуле
HВАК = HГВ + hПВ + v2/(2g) + hИН, (15)
где HГВ – геометрическая высота всасывания; hПВ – потери давления во всасывающей трубе; v2/(2g) – скоростной напор при входе в насос; hИН – инерционный напор.
Напор. Теоретически поршневой насос может создавать любой напор. Однако практически напор ограничивается прочностью отдельных деталей насоса, а также мощностью двигателя, приводящего насос в действие. Напор или высота подъема жидкости, создаваемая поршневым насосом при наличии воздушных колпаков, определяется по формуле
H = М + V + z + (v2 —v21)/(2g), (16)
где М — показание манометра; V — показание вакуумметра; z — расстояние по вертикали между точкой присоединения манометра и точкой присоединения импульсной трубки вакуумметра к всасывающему патрубку; (v2 —v21)/(2g) — разность скоростных напоров в напорном и всасывающем патрубках.
Рис. 8
Мощность (кВт), потребляемая поршневым насосом, определяется по формуле
N = gQH/(1000 ) = Qp/(1000 ), (17)
где Q — подача насоса, м3/с; Н — напор, м; — плотность, кг/м3; g — ускорение свободного падения, м/с2; — общий к. п. д. насоса; p — давление насоса Па.
Индикаторные диаграммы
Рабочий цикл поршневого насоса может быть изображен графически на индикаторной диаграмме, иллюстрирующей изменение давления в гидроцилиндре поршневого насоса за один полный оборот кривошипа. Для получения индикаторной диаграммы пользуются индикатором (рис.9), который представляет собой гидроцилиндр 2 с тщательно пришлифованным в нем поршнем 1, нагруженным протарированной пружиной 3. Гидроцилиндр 2 в нижней части соединен с рабочей камерой, в которой измеряется давление. Под давлением поршень 1, сжимая или в некоторых случаях растягивая пружину 3, перемещает рычаг с закрепленным в нем карандашом 6 и сообщает ему прямолинейное движение по особому барабану 5, на который натянута бумага. Перемещения карандаша пропорциональны деформации пружины и показывают на диаграмме в определенном масштабе давления. Шнурок 4, намотанный на барабан и соединенный ходоуменьшителем со штоком поршня, передает вращательное движение барабану. Ординаты, на черченные на бумаге, показывают в некотором масштабе давления, а абсциссы – перемещения поршня.
Рис. 9 Рис. 10
Длина диаграммы изображает в масштабе ход поршня S. С помощью индикаторной диаграммы можно установить неисправности поршневого насоса.
Приведем сначала индикаторную диаграмму исправного поршневого насоса (рис.10). В этом случае утечки жидкости через гидроклапаны и поршень отсутствуют, гидроклапаны работают без перекрытия и не создают гидравлических сопротивлений. Сплошная линия cd соответствует процессу всасывания, линия bа — процессу напора. Поскольку сжимаемость жидкости мала, то линии ас и db вертикальны. Некоторое колебание давлений в начале всасывания (точка с) и в начале напора (точка b) связано с запаздыванием открытия и закрытия клапанов.
На рис. 11 приведены индикаторные диаграммы поршневых насосов которые имеют неисправности. Индикаторная диаграмма (рис11, I) показывает, что в насосе происходит значительное запаздывание закрытия напорного гидроклапана, а на индикаторной диаграмме(рис. 11, II) показано значительное запаздывание закрытия всасывающего гидроклапана.
Рис. 11
Гидроклапаны поршневых насосов и их назначение
Различают основные типы гидроклапанов: подъемные, двигающиеся прямолинейно верх и вниз нормально к своей опорной поверхности; откидные, шарнирные и створчатые, вращающиеся около неподвижной оси параллельно опорной поверхности.
Подъемный тарельчатый гидроклапан показан на рис.12. Тарелка 1 пробки гладкой нижней поверхностью соприкасается с седлом 2 гидроклапана. Седло представляет собой втулку, плотно посаженную на резьбе или запрессованную в корпус насоса. Направляющие ребра 3 пробки, отлитые вместе с тарелкой, имеют свободную посадку в седле. В клапанной коробке делается особый прилив 5, который ограничивает ход хвостовика 4 пробки.
Рис. 12
Подъемный шаровой гидроклапан (рис. 13) отличается от тарельчатого тем, что вместо пробки в нем применен шар сплошной бронзовый или стальной, резиновый со свинцовой или металлической сердцевиной и т. д.
Во избежание защемления шара угол должен быть больше 20. Недостатком шаровых гидроклапанов является их неполная герметичность. Шаровые гидроклапаны применяют для небольших насосов при перекачке густых и вязких жидкостей.
Рис. 13 Рис. 14
Откидные или поршневые гидроклапаны
Ось вращения таких гидроклапанов в большинстве случаев горизонтальна, седло же может иметь горизонтальную или наклонную поверхность. На рис. 14 показан откидной гидроклапан, в котором вместо шарнира используется кожа или резина 1. Откидные гидроклапаны работают не так четко, как тарельчатые. Они имеют большую высоту подъема, которая лимитируется ограничителем 2, и односторонний приток жидкости, поэтому их применяют для насосов с небольшими скоростями движения жидкости.
Достоинства и недостатки поршневых насосов
К достоинствам поршневых насосов относятся возможность осуществления сравнительно больших давлений при небольших подачах и возможность запуска насоса без предварительной заливки его рабочих камер.
К недостаткам относятся большие размеры, масса и стоимость; необходимость тщательной обработки гидроцилиндров и их деталей, применение быстроизнашиваемых гидроклапанов, задвижек и другой арматуры; малая возможность автоматизации его работы; неравномерность подачи рабочей жидкости, особенно в насосах одностороннего действия; сложность в обслуживании.