Аксиально-поршневые насосы

 

Они также относятся к роторно-поршневым насосам и нашли широкое применение в гидроприводах, что объясняется рядом их преимуществ. По сравнению с радиально-поршневыми они:

1) имеют меньшие размеры, массу, и момент инерции вращающихся масс;

2) могут работать при большом числе оборотов;

3) более удобны при монтаже и ремонте.

Аксиально-поршневые насосы называют ещё насосами с наклонным диском или с пространственной кинематикой.

Рассмотрим кинематическую схему данного вида насосов.

Кинематической основой этих насосов является видоизменённый кривошипно-шатунный механизм, схема которого отличается от схемы поршневого насоса тем, что цилиндр

Рис.4.9 при повороте кривошипа вокруг оси

совершает здесь перемещения по вертикали, двигаясь параллельно самому себе и сохраняя горизонтальное положение своей оси. Поршень же перемещается в цилиндре и одновременно по вертикали вместе с цилиндром.

Аксиально-поршневые насосы делятся на насосы с наклонным блоком и насосы с наклонным диском.

Рассмотрим принципиальную схему насоса с наклонным блоком (рис.4.10)

1– неподвижный распределительный диск, 2 – вращающийся блок цилиндров, 3 – поршни, 4 – штоки, 5 – шарниры, 6 – диск, 7 – вал, 8 – корпус насоса.

 

 

Рис.4.10

 

Приводной вал насоса 7 жёстко связан с диском 6. При их вращении приводится в движение блок цилиндров 2, в котором имеются поршни 3. В процессе совместного вращательного движения блока цилиндров и диска, поршни совершают вращательное и возвратно-поступательное движение при котором осуществляется процессы всасывания и нагнетания.

Для попеременного сообщения рабочих камер с полостями всасывания и нагнетания в неподвижном распределительном диске имеются два дугообразных окна.

Увеличение или уменьшение подачи насоса осуществляется изменением угла наклона диска . Обычно этот угол составляет , но бывает доходит и до .

За один оборот диска поршень подаёт объём жидкости, равный

. (4.12)

Тогда теоретическая производительность будет равна

, (4.13)

где n составляет от 900 до 3000 об/мин. В свою очередь ход поршня где D – диаметр окружности центров цилиндров.

(4.14)

а с учётом = 0.84…0.98 получим действительную производительность. Полный КПД составляет 0.72…0.93.

Насосы эти, так же как и радиально-поршневые, нашли применение в качестве привода рабочего оборудования, в трансмиссиях дорожно-строительных и транспортных машин, а так же в гидросистемах грузоподъёмных машин и самоходных агрегатов. Технические характеристики аксиально-поршневых насосов даны в .

 

Пластинчатые насосы

Радиально- и аксиально-поршневые насосы по характеру движения рабочих органов относятся к насосам роторно-поступательным. Рассмотрим ещё один тип насосов, относящихся к этой группе.

Пластинчатые насосы – это такие насосы, в которых рабочие камеры ограничены двумя соседними вытеснителями (пластинами) и поверхностями ротора и статора.

Рассмотрим схему простейшего двупластинчатого насоса (рис. 4.11)

Он состоит из статорного кольца 1, ротора 2, пластин (лопаток) 3, поджимаемых к статорному кольцу пружинами 4, всасывающей полости 5 и нагнетательной полости 6.

 

Рис.4.11

При повороте ротора 2 (направление по часовой стрелке), объём камеры насоса, соединённой с входной полостью 5 увеличивается, а камеры, соединённой с полостью 6 уменьшается, в связи с чем происходит всасывание и нагнетание жидкости. Ротор 2 имеет плотный контакт с нижней частью статорного кольца, а одна из пластин в любом положении ротора отделяет всасывающую полость от нагнетательной полости.

Этот насос пригоден для работы при небольших давлениях и применяется для вспомогательных целей (подача смазки и т.п.)

Недостатком работы этого насоса является большая неравномерность подачи. Для устранения этого недостатка применяют насосы с большим количеством пластин.

Число пластин в основном чётное и колеблется от 2 до 12 (бывает 17). С увеличением числа пластин подача насоса уменьшается, но при этом увеличивается её равномерность.

Пластины в роторе могут быть установлены как по радиусу, так и под углом к нему от 7 до 15 ^о. Большие углы наклона соответствуют насосам с меньшей подачей. Наклонное расположение пластин выполняют с целью уменьшения трения и исключения заклинивания пластин.

Поджатие пластин к статорному кольцу может осуществляться как механически (с помощью пружин), так и за счёт давления рабочей жидкости (на рис. отверстия и каналы).

Пластинчатые насосы бывают однократного и двойного действия.

В насосах двойного действия ротор и статор сосны, т.е. эксцентриситет отсутствует. Эти насосы имеют по две симметрично расположенные полости всасывания и нагнетания. Такое расположение зон уравновешивает силы, действующие на приводной вал со стороны рабочей жидкости, и он остаётся нагружен только крутящим моментом.

Отметим так же, что насосы однократного действия за счёт изменения величины эксцентриситета могут быть регулируемыми, а при изменении знака эксцентриситета и реверсивными.

Подача пластинчатых насосов определяется по следующим формулам.

Подача насоса однократного действия:

, (4.15)

где b – ширина ротора, е – эксцентриситет, n – число оборотов ротора в единицу времени, D – диаметр колодца (расточки) в корпусе статора (статорного кольца), z – число пластин, d - толщина пластин.

Подача насоса двойного действия:

, (4.16)

где r₂ и r₁ – большая и малая полуоси статора; a - угол наклона пластин к радиусу ротора.

Для насосов двойного действия с радиальным расположением пластин (соsa = 1), следовательно, формула (4.16) примет вид

. (4.17)

Действительная подача насоса (л/мин)

Для пластинчатых насосов = 0.75…0.93, = 0.50…0.80.

Пластинчатые насосы выпускаются промышленностью давлением до 6,5 МПа при подаче от 5 до 200 л/мин.

Кроме одинарных изготавливают сдвоенные насосы, что позволяет получить давление до 10 МПа.

Пластинчатые насосы можно соединять последовательно, что так же позволяет получить давление до 10 МПа. При работе на высоком давлении быстрее изнашиваются пластины. Характеристики некоторых насосов даны в .

 

4.3.5 Шестерённые насосы

Наибольшее распространение в машинах и механизмах лесного комплекса получили шестерённые насосы. Это объясняется простотой их изготовления и эксплуатации, малыми габаритами и массой. Они сравнительно долговечны и не требуют высокой точности очистки рабочей жидкости.

В гидроприводах применяют шестерённые насосы, выполненные по различным конструктивным схемам:

1. По характеру зацепления – с внешним и внутренним. С внешним зацеплением насосы более просты в изготовлении, поэтому их применяют более часто. Насосы с внутренним зацеплением более компактны, их применяют в установках малых размеров, однако они более сложны в изготовлении.

2. По форме зубьев – с прямыми, наклонными и шевронными.

3. По числу одновременно находящихся в зацеплении шестерён - двух, трёх и более шестерённые насосы. Насосы, имеющие более трёх шестерён не получили широкого распространения, так как при сравнительно более высокой подаче они имеют низкий КПД, вследствие больших утечек рабочей жидкости.

Рассмотрим схему двухшестерённого насоса с внешним зацеплением (рис. 4.12).

Рис. 4.12

 

Насос состоит из ведущей 1 и ведомой 2 шестерён, размещённых с небольшим зазором в корпусе 3. При вращении шестерён жидкость, заполнившая рабочие камеры (межзубовые пространства), переносится из полости всасывания 4 в полость нагнетания 5. При этом в полости всасывания создаётся разряжение и жидкость непрерывно поступает из гидробака к насосу. Из полости нагнетания жидкость вытесняется в напорный трубопровод.

При работе шестерённого насоса во впадинах между зубьями может происходить запирание рабочей жидкости и развиваться высокое давление, которое передаётся на валики и опоры насоса, что приводит к сокращению срока его службы. Для избежания этого необходимо производить разгрузку насоса.

С этой целью во впадинах устраивают ради-

Рис. 4.13 альные каналы для отведения жидкости (рис. 4.13).

 

У работающего насоса полость всасывания расположена с той стороны, где зубья выходят из зацепления, а нагнетания со стороны, где зубья входят в зацепление.

Подачу шестерёнчатого насоса определяют по формуле:

, (4.18)

где R_г и R_н – соответственно радиусы головок зубьев и начальной окружности шестерён; b – ширина шестерён; – половина длины линии зацепления (a – угол зацепления шестерён; – угол поворота шестерён, рад).

В случае, когда обе шестерни имеют одинаковые размеры, т.е. одинаковый объём межзубовых впадин, подача будет равна:

, (4.19)

где D_н – диаметр начальной окружности; m – модуль зацепления (m = D_н /z); , где – объёмный КПД насоса, находится в пределах 0.80…0.90, – поправочный коэффициент, учитывающий разницу между действительным объёмом впадин зубьев и расчётным кольцевым объёмом (в среднем = 1.1).

Подача в шестерённых насосах носит пульсирующий характер. Частота и амплитуда пульсаций зависят от угла зацепления a, угловой скорости вращения и числа зубьев шестерён. С увеличением числа зубьев равномерность работы насоса увеличивается, а подача уменьшается. Коэффициент неравномерности подачи вычисляется по формуле:

, (4.20)

где z – число зубьев, в серийно выпускаемых насосах z колеблется от 8 до 14.

На вал и на ось насоса действует неуравновешенная сила, создаваемая перепадом давления в полостях нагнетания и всасывания. Эта сила действует на каждую шестерню и определяется по формуле

, (4.21)

где – диаметр окружности головок зубьев, и – давление жидкости в полостях всасывания и нагнетания.

Для уменьшения этой силы ширину шестерён обычно принимают не более 10 m (отношение шага зубьев зубчатого колеса к числу ).

Для компенсации неуравновешенной силы в насосах, работающих при большом давлении, прибегают к гидравлической разгрузке. В этом случае в корпусе насоса прокладывают узкие каналы, которыми соединяют с полостями всасывания и нагнетания.

Шестерённые насосы выпускают для низкого давления – до 1 МПа, среднего – до 3 МПа и высокого – 10 МПа.

Шестерённые насосы обратимы, т.е. могут работать как насос-гидромотор.

Конструктивно шестерённые гидромоторы отличаются от насосов следующим:

1) меньшими зазорами в подшипниках,

2) меньшими усилиями поджатия втулок к торцам шестерён,

3) разгрузкой подшипников от неуравновешенных радиальных усилий.

Крутящий момент, создаваемый жидкостью, воздействующей на зубья шестерён, можно определить по формуле:

, (4.22)

где - перепад давлений в гидродвигателе, – механический КПД.

Наибольшее распространение в машинах и механизмах лесного комплекса, автомобиле- и тракторостроении получили насосы типа НШ и гидродвигатели типа НМШ.

Гидроцилиндры

Гидроцилиндры – это простейшие гидродвигатели, в которых выходное звено совершает ограниченное прямолинейное возвратно-поступательное движение. Выходным звеном может быть шток, плунжер или корпус гидроцилиндра, для случая, когда поршень со штоком при работе гидродвигателя находится в неподвижном состоянии.

Гидроцилиндры бывают прямолинейного действия и поворотные. Гидроцилиндры, у которых выходное звено совершает ограниченные углы поворота называются поворотными.

По конструкции рабочей камеры гидроцилиндры подразделяют на поршневые, плунжерные, телескопические, мембранные и сильфонные.

Поршневые гидроцилиндры могут быть с односторонним или двусторонним штоком.

Бывают комбинированные гидроцилиндры (две камеры, два поршня и т.п.)

По направлению действия рабочей жидкости гидроцилиндры бывают одностороннего и двустороннего действия.

Одностороннего действия – рабочий ход осуществляется под действием рабочей жидкости, холостой ход – с помощью усилия пружины, массы, слива рабочей жидкости, электромагнита и т.п.

Рассмотрим схемы гидроцилиндров.

Рис. 4.14 Поршневой гидроцилиндр одностороннего действия

У поршневого гидроцилиндра с односторонним штоком полезные объёмы штоковой и бесштоковой полостей цилиндра не равны между собой, скорость движения поршня в одном и другом направлениях будет различной.

 

Рис. 4.15 Поршневой гидроцилиндр двустороннего действия

 

Такие гидроцилиндры (рис.4.15) имеют одинаковую скорость движения поршня в обоих направлениях, но они более сложны и громоздки.

 

Рис.4.16 Плунжерный гидроцилиндр одностороннего действия

 

Плунжерные гидроцилиндры могут иметь плунжер сплошного или трубчатого сечения. Преимущество плунжерных гидроцилиндров перед поршневыми заключается в том, что они не требуют отшлифованной внутренней поверхности, так как герметичность обеспечивается сальниками и уплотнительными устройствами. Однако, плунжерные гидроцилиндры более громоздки по-сравнению с поршневыми. Холостой ход осуществляется путём слива рабочей жидкости.

Рис. 4.17 Телескопический гидроцилиндр одностороннего действия

 

Телескопическим гидроцилиндром называют объёмный гидродвигатель, в котором выходным звеном является несколько концентрически расположенных поршней или плунжеров, перемещающихся относительно друг друга, причем сумма их ходов равна ходу выходного звена. При работе выдвигается сначала плунжер с диаметром D₁ (т.е. с большим диаметром), затем D₂.

Рис. 4.18 Мембранный гидроцилиндр

 

1 – корпус; 2 – резиновая мембрана; 3 – шток; 4 – пружина

 

Жидкость под давлением через отверстие, указанное стрелкой, поступает в корпус 1, от этого мембрана 2 выгибается книзу и приводит в движение шток 3, который сжимает пружину 4. После прекращения давления со стороны жидкости на мембрану шток под действием пружины совершает движение в обратном направлении.

Наибольшее распространение в гидросистемах машин лесной промышленности получили поршневые, телескопические и плунжерные гидроцилиндры одностороннего действия. Среди этих гидроцилиндров наиболее просты по устройству и дешевле при изготовлении плунжерные гидроцилиндры.

Мембранные гидроцилиндры не нашли широкого применения из-за небольшого хода поршня. Однако эти гидроцилиндры имеют высокий объемный КПД, так как ввиду хорошей герметичности рабочей камеры в них практически отсутствуют утечки.

Запишем формулы расчета некоторых рабочих параметров гидроцилиндров:

– скорость рабочего хода поршня без учета потерь для гидроцилиндров с односторонним штоком

; (4.23)

– скорость холостого хода

; (4.24)

– для гидроцилиндров с двусторонним штоком

; (4.25)

– скорость последовательного выдвижения поршней или плунжеров телескопического гидроцилиндра двустороннего действия

. (4.26)

Время, потребное для совершения одного двойного хода поршня:

– для гидроцилиндра с односторонним штоком

; (4.27)

– для гидроцилиндра с двусторонним штоком

. (4.28)

Подъемная сила гидроцилиндра:

– для гидроцилиндра на рис.4.14

 

, (4.30)

где – давление жидкости, подводимое в гидроцилиндр, МПа; – усилие, создаваемое пружиной; – жесткость пружины; – ход поршня;

– для телескопического гидроцилиндра двустороннего действия

, (4.31)

где – силы трения в уплотнениях;

– для мембранного гидроцилиндра

, (4.32)

где – коэффициент активности мембраны, зависящий от размеров грибка

, (4.33)

где ; оптимальное значение ; – диаметр грибка, м; – активный диаметр мембраны, м.

Ход штока в мембранных гидроцилиндрах выбирают в зависимости от диаметра мембраны:

– для плоских мембран S = 0,15 ;

– для тарельчатых мембран S = 0,20 ;

– для гофрированных мембран S = 0,25 .

Гидроцилиндры являются наиболее распространенными гидродвигателями, применяемыми в гидроприводе машин лесной промышленности. С помощью гидроцилиндров приводятся в движение рабочие органы тракторов, дорожных машин, валочно-трелевочных машин, лесопогрузчиков и т.п.

 

Гидрораспределители

Гидрораспределители – это устройства, с помощью которых осуществляется изменение направления движения потока рабочей жидкости.

Они устанавливаются в гидросистему для изменения направления движения исполнительных механизмов машины, а так же для обеспечения нужной последовательности включения в работу этих механизмов. С помощью гидрораспределителей производится разгрузка насоса и гидросистемы от давления и ряд других операций.

Гидрораспределители являются одним из основных элементов схемы гидропривода любой машины. Поэтому к ним предъявляются следующие требования:

1) безотказность работы в течение определенного времени независимо от условий эксплуатации;

2) минимальные утечки рабочей жидкости;

3) небольшие потери давления на преодоление гидравлических сопротивлений;

4) невысокая стоимость;

5) быстрота переключения;

6) безударный реверс;

7) точное положение реверсируемого механизма.

По способу присоединения к гидросистеме гидрораспределители выпускают в трех исполнениях:

1) резьбовом;

2) фланцевом;

3) стыковом.

Выбор способа присоединения зависит от назначения гидрораспределителя и расхода через него рабочей жидкости.

Основным элементом гидрораспределителя является запорно-регулирующий элемент.

По конструкции запорно-регулирующего элемента гидрораспределители подразделяют на:

1) золотниковые;

2) крановые;

3) клапанные.

По воздействию потока рабочей жидкости гидрораспределители различают прямого и непрямого действия (воздействие непосредственно на запорно-регулирующий элемент или через вспомогательное устройство).

Наибольшее распространение получили золотниковые гидрораспределители, а в машинах и механизмах лесной промышленности используются только золотниковые и крановые (пробковые) гидрораспределители.