Лекция. Объёмные гидромашины

 

Элементарные сведения о гидравлических машинах.

 

Основные эксплуатационные свойства лопастных и объемных гидромашин.

 

Основные свойства и параметры лопастных и объемных гидромашин наиболее целесообразно анализировать в их сравнении.

Объемные и лопастные гидромашины отличаются двумя основными свойствами.

Первое свойство заключается в том, что в лопастных гидромашинах рабочая жидкость движется непрерывно, а в объемных – циклично, порциями.

Второе свойство состоит в том, что лопастные гидромашины проточные, а объемные – герметичные. Это объясняется тем, что в лопастных гидромашинах вход свободно сообщается с выходом, а в объемных – вход постоянно и очень герметично разобщен с выходом. Поэтому лопастные гидронасосы заливные, их перед запуском необходимо заливать, а объёмные гиронасосы_-самовсасывающие, их перед запуском заливать не следует.

Указанные свойства объясняются существенным различием в конструкции этих машин. В лопастных гидромашинах рабочая жидкость движется непрерывным потоком по каналам, образованным поверхностями лопастей и корпуса, поэтому вход в этих машинах свободно сообщается с выходом по этим каналам. В случае если давление на выходе лопастной гидромашины превышает расчетные, то возможно возвратное течение жидкости: с выхода – на вход. В этом случае может возникнуть неустойчивый режим работы этих машин – помпаж, характеризующий периодичность прямых и возвратных движений рабочей жидкости, которая движется то со входа на выход, то - с выхода на вход. Такие режимы наблюдаются в лопастных насосах и вентиляторах.

Таким образом, в лопастных гидромашинах, например, в лопастных насосах, расход Q жидкости через насос (подача насоса) зависит от давления на выходе из насоса, т.е. Q=f(). В этом случае говорят, что расход через лопастной насос, т.е. его подача, зависит от нагрузки на выходе из насоса. С увеличением нагрузки подача уменьшается и наоборот (см. рис.)

Рис.2.Зависимость подачи Q центробежного лопастного насоса от давления Р_вых (нагрузки) на выходе из насоса при постоянных оборотах n вала насоса.

 

Как видно из рисунка, с увеличением давления на выходе из насоса расход (подача) жидкости падает. Если это давление превышает некоторое предельное значение, то возможно возвратное течение жидкости. Эта область характеристики насоса отмечена знаком . В области со знаком подача жидкости положительна, в области со знаком подача отрицательна, здесь жидкость движется в обратную сторону.

В объемных насосах расход Q (подача) жидкости зависит только от рабочего объема насоса и оборотов n вала насоса. Здесь

От давления на выходе из насоса расход жидкости здесь не зависит.

Рис.3.Зависимость подачи Q объемного гидронасоса от давления на выходе из насоса при постоянных оборотах n вала насоса.

 

Как видно из графика (пунктирная линия) только при больших давлениях на выходе из насоса подача немного уменьшается (например, на 0,5 -

1,0 % при увеличении давления на 100 атм.).

 

Основная характеристика лопастных гидронасосов.

Основной характеристикой лопастных гидронасосов называют их напорную характеристику.

Напорной характеристикой любого насоса называют зависимость напора Н, мощности N и КПД насоса от его расхода (подачи) Q при постоянных оборотах вала насоса n = const.

 

 

Рис.4. Напорная характеристика лопастного насоса.

 

Как видно из напорной характеристики для лопастных насосов напор таких насосов, т.е. приращение удельной энергии жидкости, прошедшей через насос, зависит от ее расхода Q. С увеличением расхода Q напор H уменьшается и – наоборот.

Здесь расход Q через магистраль подачи насоса зависит от давления P на выходе из насоса, то есть – от внешней нагрузки и, в конце – концов, от напора H, т.е. для лопастного насоса выполняется равенство:

Q=f (H)

Характерные точки напорной характеристики лопастного насоса.

Точка 1. Кран за насосом закрыт, расход Q через насос равен нулю, т.е. Q=0. Напор в этом случае равен максимальному, т.е.. H =max. КПД в этом случае равен нулю = 0. Этот режим – режим запуска центробежных насосов, они запускаются при закрытом кране за насосом. Так как в этом случае пусковая мощность - минимальна.

Точка 2. Рабочий (оптимальный или расчетный) режим работы насоса. КПД насоса в этом случае – максимальный, = max. Этот режим, на котором должен работать насос, самый экономичный режим.

Точка 3. Напор насоса равен нулю H=0, расход – максимальный Q = max. Этот режим возникает потому, что расход через насос настолько велик, что лопатки не успевают закрутить поток и дополнительную энергию жидкости не сообщают. Этот режим в лопастных насосах практически не реализуется, так как раньше всегда наступает кавитация, а кавитация в промышленных насосах не допускается, так как она приводит к разрушению поверхности лопаток и к срыву подачи жидкости насосом из - за резкого уменьшения напора.

Точка 4. Срыв работы насоса из - за кавитации. Кавитация в промышленных насосах не допускается, так как она приводит к резкому уменьшению напора насоса, его вибрации и к разрушению поверхностей лопаток.

 

Объемные гидромашины.

В объемных гидромашинах рабочая жидкость подается из рабочего объема, прерывисто, порциями, ибо как здесь она всегда вытесняться из указанного объема силовыми элементами так, что в этих гидромашинах вход постоянно и очень герметично разобщен с выходом, посредством прочного и герметичного контакта силовых элементов, либо между собой (например – зубьев шестерен в шестеренных насосах и моторах), либо силовых элементов с корпусом (например – поверхностью поршней и цилиндров в поршневых насосах и моторах). Поэтому в объемных гидромашинах, в отличие от лопастных, возвратных течений с выхода на вход в принципе быть не может. Здесь, если кран за объемным гидронасосом закрыт, то жидкость будет подаваться объемным гидронасосом в напорную магистраль до тех пор, пока не произойдет авария из - за разрушения рабочих элементов, корпуса или магистрали. Поэтому в напорных магистралях за объемными гидронасосами всегда устанавливают предохранительный клапан, который в случае превышения расчетных давлений в напорной части всегда обеспечивает перетекание рабочей жидкости с выхода – на вход, как в лопастных насосах, у которых эти клапаны никогда не устанавливают, ибо в них нет надобности.

 

Основная характеристика объемных гидронасосов.

 

 

Рис. 5. Напорная характеристика объемного гидронасоса.

1 – идеальная (несжимаемая) жидкость;

2 – реальная (сжимаемая) жидкость;

К – точка открытия предохранительного клапана.

 

Напорная характеристика объемных гидронасосов имеет вид прямой линии (линия 1 на рис. 5), в отличие от кривой – для лопастных насосов.

Из напорной характеристики объемного гидронасоса видно, что эта характеристика есть прямая линия (1 на рис. 5), перпендикулярная оси расходов Q. Это объясняется тем, что при постоянных оборотах вала насос (n=const) расход жидкости Q, подаваемой в напорную магистраль, будет постоянным, так он зависит только от оборотов вала n = const и объема рабочей полости (рабочего объема ), который также является постоянным. Таким образом

Если учитывать сжимаемость жидкости, то с увеличением давления P объем V подаваемой жидкости будет уменьшаться (см. линию 2) согласно закону Гука для жидкости

Здесь E – модуль упругости жидкости.

Параметры жидкости до сжатия отмечены индексом 1, после сжатия - индексом 2.

Например, для воды или технического масла ( Па) увеличение давления от 1 до 100 атм. приводит к уменьшению ее объема на 0,5 % согласно равенству:

 

Явление сжимаемости жидкости в объемном гидроприводе является вредным и называется “просадкой”, оно проявляется для насосов в уменьшении подачи, т.е. объемного расхода подаваемой жидкости, а для гидромоторов или гидродвигателей – уменьшении оборотов или скоростей движения силовых элементов при возрастании нагрузки.

Если нагрузка растет, например, закрывается кран на выходе из насоса, то давление за насосом начинает расти. При полностью закрытом кране давление теоретически может вырасти до бесконечности (см. линию 1 на рис. 5). Реально это произойти не может, но будет авария. Поэтому в объемном гидроприводе, в отличие от гидродинамического, за насосом всегда устанавливается предохранительный клапан, который настраивается на расчетное предельное давление. Точка “К” на графике соответствует моменту его открытия.

После открытия клапана часть жидкости выйдет через клапан, и расход уменьшится (линия 2 пойдет влево), а давление несколько возрастет, так как клапан имеет гидравлическое сопротивление. Поэтому, если две напорные характеристики двух насосов объемного (линия 1) и лопастного (линия 2) поместить рядом, то они будут похожи.

 

Рис. 6. Сравнительные характеристики лопастного и объемного гидронасосов.

1 – лопастной насос;

2 – объемный насос.

 

Объёмные гидронасосы.

 

В качестве гидронасосов объёмных гидроприводов широко используются шестеренные насосы.

В гидроприводах бульдозеров и скреперов применяют однотипные шестеренные насосы, различающиеся, в основном, размерами и объемной подачей. Для снижения шума в шестеренных гидравлических машинах применяют косозубые (шевронные) шестерни.

Принцип действия шестеренного насоса (рис. 97) состоит в следующем. Ведомая шестерня 4 и ведущая шестерня 5 равной ширины находятся в зацепле нии и размещены с минимальным радиальным зазором в корпусе З. При вращении шестерен рабочая жидкость переносится из полости всасывания В в полость нагнетания Б в виде порций, вытесняемых из впадин зубьев зубьями второй шестерни. В результате рабочая жидкость пульсирует и при соответствующей частоте вращения шестерен создается необходимые подача и давление в полости Б нагнетания насоса.

 

 

Рис.97 Шестеренный насос в разрезе (а) и его схема (б):

1-болт: 2-втулка; 3-корпус; 4,5-шестерни; 6-прокладка; 7-крышка; 8 манжета; 9-колцо; 10 предохранительный (переливный) клапан.

 

Шестерни 4 выполнены за одно целое с валами и опираются на бронзовые втулки 2, зафиксированные от поворота. Шейки втулок уплотнены в крышке 7 прокладкой б, а выступающий из крышки хвостовик шестерни 5 защищен манжетой 8, прижатой стопорным кольцом 9. Стык крышки 7 в корпуса З уплотнен такой же прокладкой б, что предотвращает вытекание рабочей жидкости из полости высокого давления А, соединенной с полостью Б корпуса насоса. Под давлением жидкости в полости А торцы втулок 2 прижимаются к торцам шестерен и торцу расточки корпуса З. Таким образом образуется уплотнение между всеми внутренними торцами деталей насоса, исключающее перетекание жидкости из полости Б в полость 13, причем торцы прижимаются тем сильнее, чем больше давление в полости Б.

 

Объёмные гидродвигатели.

 

В качестве основных гидродвигателей объёмных гидроприводов используют гидроцилиндры, поворотные устройства и гидромоторы (см. рис.1).

 

Объёмные гидроцилиндры.

 

Гидроцилиндры различаются по кинематическим и конструктивным признакам. По кинематическим признакам они подразделяются на две группы: с подвижным штоком и неподвижным корпусом; с неподвижным поршнем и подвижным корпусом. По конструктивным признакам их можно разделить на поршневые, плунжерные и телескопические.

В дорожно – строительных машинах наибольшее распространение получили поршневые гидроцилиндры одностороннего и двухстороннего действия с подвижным штоком.

В гидроцилиндре одностороннего действия (рис. 7.1), а) рабочая жидкость подводится только в одну рабочую

 

Рис. 7.11. Схемы гидроцилиндров одностороннего (а), двухстороннего (б) и телескопического двухстороннего (в) действия

 

полость, выходное звено под действием давления перемещается только в одну сторону. В противоположную сторону перемещение происходит под действием каких-либо сил (таких, как пружины, вес перемещаемого груза).

В гидроцилиндре двухстороннего действия (рис. 7.11,6) рабочая жидкость подводится поочередно в обе рабочие полости, и движение ведомого звена в обе стороны происходит под действием давления жидкости.

Телескопические гидроцилиндры (рис. 7.11, в) применяют в тех случаях, когда необходимо получить большой ход выходного звена при ограниченной длине цилиндра (например, на монтажной вышке, или гидроподъёмнике, установленном на автомотрисе).

Рабочая жидкость в рабочие полости может подводиться через штуцера, устанавливаемые на корпусе, или по каналам в штоке.

 

 

Рис. 2.15. Силовой гидроцилиндр объёмного гидропривода:

а — общий вид, б — замедлительный клапан; 1 —шток, 2, 9 — крышки, 3, 7 — сверления для подачи масла, 4 — корпус, 5, 11 — манжеты, 6 — поршень, 8 — масленка, 10 — гайка, 12 — грязесъемник, 13 — головка штока, 14 — замедли тельный клапан, 15 —16 — штифты, 17 — хвостовик;

I– схема работы при опускании отвала, II –то же, при подъеме.

 

Силовые гидроцилиндры называют также объемными гидродвигателями с поступательным движением выходного звена в виде штока. Рабочий конец штока имеет расточку для присоединения к рабочему или другому органу машины.

 

В дорожно-строительных машинах применяются гидроцилиндры, рассчитанные на номинальное давление 10, 16, 25 и 32 МПа с максимальным (пиковым) давлением соответственно 14 и 16, 20 и 25, 32 и 40 и 40 и 50 МПа. Скорость движения штоков силовых гидроцлиндров во время работы находится в пределах 0,3—0,5 м/с.

Гидроцилиндры могут эксплуатироваться при температуре окружающего воздуха от —40 до +70 °С и температуре рабочей жидкости (РЖГ) от —10 до +70 °С.

Номинальное рабочее давление, на которое рассчитаны гидроцилиндры, 16 МПа.

Гидроцилиндр (в настоящее время силовые гидроцилиндры унифицированы) состоит (рис. 2.15) из стального корпус 4, закрытого с одной стороны глухой крышкой 9, с другой — крышкой 2 с отверстием для штока 1. В цилиндре размещен поршень 6 со штоком, выходящим наружу через крышку с отверстием. Поршень во избежание перетекания рабочей жидкости из одной полости цилиндра в другу оборудован манжетами 5,11 из маслостойких материалов (резины или пластиков). Манжеты на поршне удерживаются металлическими дисками 7, диаметр которых несколько меньше диаметра манжет. диски 7 в свою очередь удерживаются со стороны глухой крышки 11 шайбой и гайкой, а со стороны крышки 4 с отверстием — втулкой б. Место прохода штока со стороны крышки с отверстием имеет сальниковое уплотнение из маслостойких резиновых или других манжет З и грязесъемника 2. Цилиндр снабжен двумя патрубками, к которым присоединенью трубопроводы дня рабочей жидкости. Одно отверстие для прохода рабочей жидкости размещено в сквозной буксе 5, а другое — в глухой крышке 11. При подаче рабочей жидкости в поршневую полость цилиндра (со стороны глухой крышки) шток втягивается в цилиндр, приводя в действие в том и в другом случае связанный со штоком рабочий или другой орган машины. Рабочий конец штока имеет расточку для присоединения к рабочему или другому органу машины.

 

Чтобы предотвратить жесткий удар поршня о крышку, в некоторых конструкциях гидроцилиндров предусмотрен демпфер. Принцип действия демпфера основан на том, что в конце хода часть жидкости в гидроцилиндре отсекается от сливной гидролинии. Происходит это с помощью хвостовика 17 штока, который утапливается в расточку крышки, оставляя узкий кольцевой зазор для вытеснения жидкости. Сопротивление спину в этом зазоре замедляет ход поршня и смягчает (демпфирует) удар при его упоре в крышку.

 

 

Объёмные гидромоторы.

 

На рисунке 7.9 приведена конструкция аксиально поршневого гидромотора–_гидронасоса типа 210 с наклонным блоком цилиндров. Он состоит из ведущёго вала 2, установленного на трех шарикоподшипниках, семи поршией 9 с шатунами 10, блока цилиндров б, прижимающегося к сферическому распределителю 7. Блок цилиндров центрируется при помощи центрального шипа 5, один конец которого заделан в гнезде фланца ведущего вала, а другой — опирается на бронзовую втулку, установленную в распределителе 7. При вращении ведущего вала 2 вращение через шатуны передается блоку цилиндров

Если ось центрального шипа. 5 не совпадает с осью ведущего вала, то при вращении вала поршни совершают возвратно-поступательное движение. При этом поршни, выходящие из блока цилиндров, засасывают рабочую жидкость, а при движении в обратную сторону вытесняют ее в напорную магистраль.