1. Цель и задачи работы.
Целью работы является углубление и расширение теоретических знаний по конструкциям и принципам действия гидравлических роторных объемных насосов.
Задачами работы является:
· изучение конструкций и принципа действия наиболее часто применяемых в гидросистемах роторно-поршневых и шестеренных насосов;
· расчет эксплуатационных характеристик аксиально-поршневого насоса по результатам измерений конструктивных параметров.
2. Теоретические сведения.
К роторным относятся объемные насосы, в которых осуществляются вытеснение жидкости из перемещаемых рабочих камер в результате вращательного или вращательно-поступательного движения вытеснителей. Рабочая камера насоса представляет замкнутое пространство, попеременно сообщающееся со всасывающей и напорной полостями. При сообщении рабочей камеры со всасывающей полостью ее объем увеличивается, что приводит к уменьшению давления и притоку в нее жидкости, а при сообщении с напорной полостью ее объем уменьшается, в результате чего жидкость вытесняется в напорную линию. Таким образом, рабочий процесс роторных насосов состоит из заполнения рабочих камер жидкостью, замыкания рабочих камер, переноса и вытеснения жидкости из рабочих камер. Изменение объема рабочих камер происходит вследствие перемещения их и вытеснителей.
Роторный насос состоит из неподвижного статора, вращающегося ротора и вытеснителей. Ротор приводится во вращательное движение электродвигателем. По характеру движения вытеснителей насосы делятся на роторно-вращательные и роторно-поступательные.
К роторно-вращательным относятся шестеренные и винтовые насосы, а к роторно-поступательным – пластинчатые (шиберные) и роторно-поршневые.
Рабочие камеры роторно-поршневых насосов выполнены в виде цилиндров внутри ротора, вытеснителями являются поршни или плунжеры. По расположению рабочих камер относительно оси вращения ротора насосы делятся на радиальные и аксиальные. Радиальный роторно-поршневой насос схематически представлен на рис. 1.
В радиальном роторно-поршневом насосе рабочие камеры и вытеснители расположены радиально относительно оси вращения ротора. Ось О1 ротора 1 расположена эксцентрично по отношению к оси О2 статора 2. Вытеснители в виде плунжеров 3 под действием пружины и центробежной силы прижимаются своими сферическими головками к поверхности статора 2 и при вращении ротора совершают возвратно-поступательное движение в цилиндрах. Распределение жидкости производится распределительной осью 4 с окнами 5 и 6 и перемычками 7.
Рис.1. Схема радиального роторно-поршневого насоса
Распределительные окна через осевые каналы соединяются со всасывающим и напорным трубопроводами. При вращении ротора по часовой стрелке цилиндра поочередно соединяются со всасывающим окном 5, когда плунжеры 3 выдвигаются из цилиндров 8 и с окном 6 при обратном движении плунжера. Когда отверстие 9, соединяющее цилиндр 8 с окнами 5 или 6, перекрываются перемычкой 7, происходит замыкание рабочей камеры. Рабочий объем, соответствующий идеальной подаче насоса за один оборот ротора выражается формулой:
,
где: d – диаметр цилиндра, z – число цилиндров, е – эксцентриситет.
Аксиальные роторно-поршневые насосы отличаются от радиальных тем, что поршни у них совершают возвратно-поступательное движение в направлении, параллельном или близком к параллельному оси блока цилиндра. Эти насосы выполнены с наклонным цилиндрическим блоком и наклонной шайбой. Аксиально-поршневой насос с наклонной шайбой представлен на рис.2.
Рис. 2. Схема аксиального роторно-поршневого насоса
Принцип его действия заключается в следующем. При вращении ротора 1 вокруг горизонтальной оси плунжеры 2 под действием пружин 5 скользят по поверхности наклонной шайбы, вследствие чего совершают возвратно-поступательное движение в рабочих камерах, при этом камеры сообщаются поочередно с дугообразными окнами 6 и 7, одно из которых сообщается со всасывающим трубопроводом, а другое – с напорным.
Рабочий объем такого насоса определяется по формуле:
,
где D - диаметр между осями плунжеров, g -угол наклона шайбы.
Аксиально-поршневой насос с наклонным цилиндровым блоком представлен на рис.3.
Рис. 3. Схема аксиально-поршневого насоса с наклонным блоком
Он отличается от насоса с наклонной шайбой тем, что ось вращения цилиндрового блока наклонена к оси вращения приводного вала. Передача момента вращения от приводного вала к цилиндрическому блоку осуществляется посредством кардана или через штоки поршня. Поршни 2 расположены в блоке цилиндров 1 и шарнирно соединены шатунами 3 с фланцем 4 вала 5. Для отвода и подвода рабочей жидкости к рабочим камерам в торцевом распределительном диске 7 выполнены два дугообразных окна В и Н. Карданный механизм 6 осуществляет кинематическую связь вала 5 с блоком цилиндров 1 и преодолевает момент трения и момент инерции блока цилиндров.
Принцип работы насоса с наклонным блоком заключается в следующем. При вращении вала насоса поршни совершают сложное движение – они вращаются вместе с блоком цилиндров и движутся возвратно-поступательно в цилиндрах блока, при котором происходят процессы всасывания и нагнетания. При вращении блока цилиндров, например, по часовой стрелке рабочие камеры, находящиеся слева от вертикальной оси распределительного диска, соединяются со всасывающим окном В. Поршни движутся в этих камерах в направлении от распределительного диска. При этом объем рабочих камер увеличивается и рабочая жидкость под действием перепада давлений в рабочих камерах заполняет их.
Рабочие камеры, находящиеся справа от вертикальной оси распределительного диска, соединяются с нагнетательным окном Н. Поршни в этих камерах движутся в направлении распределительного диска и вытесняют жидкость из рабочих камер на выход насоса.
Рабочий объем аксиально-поршневого насоса с наклонным блоком определяется по формуле:
,
где: h – максимальный ход поршня; 
, g – угол наклона блока цилиндров, z – количество цилиндров.
К радиальным роторно-поршневым насосам относятся также пластинчатые насосы, схема которого представлена на рис.4.
Рис. 4. Схема радиального пластинчатого насоса
Пластинчатый насос состоит из ротора 1, в пазах которого размещены пластины 2, перемещающиеся радиально и вращающиеся вместе с ротором, и статора 3. Ось вращения ротора О смещена по отношению к оси симметрии статора О1 на е. В статоре имеются окна 4 и 5, к которым подсоединены всасывающий и напорный трубопроводы. Рабочий объем пластинчатого насоса определяется по формуле:
,
где: R – радиус статора, b – ширина ротора, d - толщина пластины, z – число пластин, е – эксцентриситет.
Следующий тип насосов – шестеренные насосы. Они делятся на насосы с внешним и с внутренним зацеплением. Схема насоса с внешним зацеплением представлена на рис. 5.
 |
Рис. 5. Схема шестеренного насоса с внешним зацеплением
Насосы с внешним зацеплением чаще всего выполняются в виде пары одинаковых шестерен 1 и 2, находящихся в зацеплении и установленных в корпусе 3 с небольшими зазорами.
По обе стороны области зацепления в корпусе имеются полости 4 и 5, соединенные со всасывающей и напорной линиями. С торцевой стороны корпус замыкается боковыми дисками. Одна из шестерен является ведущей, а вторая ведомой. При их вращении во всасывающей полости зубья выходят из зацепления. Увеличение объема впадин между зубьями, которые являются рабочими камерами, обеспечивает уменьшение давление во всасывающей полости и заполнение ее жидкостью. Перемещение рабочих камер приводит к замыканию их стенками камеры. Когда рабочие камеры перемещаются в полость нагнетания, зубья шестерен входят в зацепление и вытесняют жидкость в напорную линию.
Рабочий объем таких насосов определяется по формуле:
где: m – модуль зацепления, z – число зубьев, b – ширина шестерен.
3. Объекты исследования, оборудование, инструменты.
Объектом исследования настоящей лабораторной работы является аксиально-поршневой регулируемый насос типа ПД № 5-50 с наклонным блоком цилиндров, двойным не силовым карданом и торцевым распределителем, с которого для удобства ознакомления с конструкцией сняты крышки.
Сборочный чертеж насоса представлен на плакате.
Принцип работы насоса заключается в следующем. От вала 12 вращение передается блоку цилиндров 13 через двойной кардан 6. Кардан является не силовым, так как он передает только момент для преодоления момента инерции блока цилиндров и момента трения торца блока цилиндров о распределительный щит. Основной крутящий момент передается через шатуны. При вращении вала поршни при отклонении люльки на угол b совершают сложное движение: вращение вместе с блоком цилиндров и возвратно-поступательное движение в цилиндрах. За один оборот вала происходит один рабочий цикл насоса – всасывание и нагнетание с принудительным поочередным соединением рабочих камер с линиями всасывания и нагнетания.
В лабораторной работе для измерения конструктивных параметров аксиально-поршневого насоса и расчета его характеристик используется штангенциркуль, угломер и микрокалькулятор.
4. Порядок выполнения работы.
4.1 Ознакомиться с теоретическими положениями и зарисовать конструктивные схемы роторных насосов различных типов.
4.2 Изучить конструкцию аксиально-поршневого насоса типа ПД № 5-50 и выяснить назначение всех его элементов.
4.3 Измерить конструктивные размеры насоса, необходимые для вычисления его характеристик. Результаты измерений занести в табл. 1.
4.4 Заполнить табл. 2 с эксплуатационными значениями параметров n и Pn. Значения n и Pn задаются преподавателем.
4.5 Рассчитать эксплуатационные характеристики насоса:
рабочий объем 
Таблица 1.
