конспект механика жидкости и газа. Конспект+лекций. Курс лекций по опд гидравлика тема Предмет и методология гидравлики Курс "Гидравлика" включает в себя несколько самостоятельных дисциплин, которые объединяет такое понятие, как гидравлические и пневматические системы.
 Скачать 1.15 Mb.
|
|
Роторные объемные насосы У насосов этого типа перенос жидкости к полости нагнетания производится в результате вращения ротора насосав котором располагаются рабочие камеры и вытеснители. В третьей операции вытеснители входят в рабочие камеры и вытесняют из них жидкость. Для сглаживания неравномерности подачи жидкости в напорную магистраль качающие пары (качающую пару составляют рабочая камера и вытеснитель) работают с перекрытием фаз. Объемные насосы разных типов отличаются друг от друга только формой рабочих камер, вытеснителей и кинематикой передачи вращения отвала насоса к ротору. По этой причине у них есть общий конструктивный параметр q, называемый рабочим объемом. Он представляет собой сумму объемов, освобождаемых вытеснителями в такте всасывания и замещаемых снова в такте нагнетания за один оборот вала насоса. Этот параметр определяет типоразмер насоса. Этим, однако, его роль не исчерпывается, поскольку через него удобно выражать основной показатель работы объемных насосов- их подачу Q (объем жидкости, подаваемый в напорную магистраль в единицу времени. Конструктивное оформление объемных насосов весьма многообразно. Мы рассмотрим только наиболее часто применяемые в ГП – шестеренные, пластинчатые и роторно-поршневые. Шестеренные насосы Простейший шестеренный насос (рис. 70) состоит из корпуса 1, двух шестерен 2 (одна из них, ведущая, жестко связана с валом, вала 3 боковых втулок 5 пружин 6, крышки 7 и уплотнений 4. Рис. 70. Общий вид и схема шестеренного насоса 84 1) корпус 2) шестерни 3) приводной вал 4) уплотнения 5) втулки 6) пружины 7) крышка Рабочими камерами являются впадины, а вытеснителями – зубья шестерен. Всасывающая полость находится там, где шестерни выходят из зацепления. Для улучшения условий заполнения рабочих камер жидкостью эта полость выполняется более широкой. После зацепления шестерен во впадинах остается незамещенные зубьями небольшие объемы, заполненные жидкостью. По мере вращения шестерен эти объемы сначала уменьшаются, затем увеличиваются. Соответственно жидкость сначала вытесняется из них через зазоры, затем в них возникает вакуум и, как следствие, возможна кавитация. Чтобы такие неприятные явления предупредить, в боковых втулках 5 выполняются канавки, которые соединяют защемленные объемы сначала с полостью нагнетания, затем - с полостью всасывания. Одна пара боковых втулок сделана подвижной в осевом направлении и ее прижим осуществляется пружинами 6 и жидкостью, подводимой из полости нагнетания по специальным каналам. Такие насосы могут работать постоянно при номинальном давлении нагнетания рн = 16 мПа = 160 кгс/см2 и кратковременно при максимальном р max = 21мПа. Они выпускаются различных типоразмеров, например НШ–10; НШ–32; НШ–50; НШ–71 и НШ–100 (здесь цифра показывает рабочий объем насоса q). Величину рабочего объема любого объемного насоса легко можно определить опытным путем, замерив объем подаваемой жидкости за один оборот вала насоса при малом значении давления нагнетания рн (чтобы не было утечек) и малой частоте вращения вала (чтобы рабочие камеры в такте всасывания заполнялись полностью. Для шестеренных насосов рабочий объём можно определить и по формуле L z m q 2 для некоррегированных шестерен и по формуле ) 1 1 ( 2 2 z L z для коррегированных шестерен. Здесь m – модуль зацепления z – число зубьев, шт L – длина зубьев в осевом направлении, см. Пластинчатые насосы Пластинчатые насосы имеют два вида однократного и двукратного действия. Первые могут выполнятся и регулируемыми(т.е. с переменной величиной, а вторые – только нерегулируемыми (в простейшем ОГП применяются последние. Области применения гидравлические системы металлорежущих и деревообрабатывающих станков, гидроусилители руля. Основными рабочими органами такого насоса являются ротор, статор и пластины, вставленные в продольные пазы ротора. Именно от этих пластин насосы пластинчатые и получили свое название. По своему механическому устройству, насосы пластинчатые однократного действия могут обладать реверсивностью. Он меняет направление потока в гидравлической системе при изменении направления вращения ро- тора. Пластинчатый насос двукратного действия (рис. 71) состоит из корпуса, ротора 6 с валом 1, пластин 7, статора 5, пружин 2 и боковых дисков 4. В роторе выполнены пазы, в которых размещены пластины. Пазы наклонены под небольшим углом α по отношению к радиусам для предупреждения заклинивания пластин при работе насоса. Пластины 7 прижимаются к статору центробежными силами, а при увеличении давления нагнетания и силой давления жидкости, подводимой под их основания по каналам из полости нагнетания. Этим достигается снижение утечек. Стой же целью боковой диск 4, расположенный со стороны полости нагнетания, выполнен подвижным в осевом направлении и на него действует жидкость, подводимая из полости нагнетания (применяется такой же способ уплотнения торцовых зазоров, как в насосах типа НШ). Рис. 71. Общий вид и схема пластинчатого насоса двукратного действия Начальный поджим боковых дисков 4 к пластинам осуществляется пружинами 2. Внутренняя поверхность статора 5 имеет специальную форму. Ее профиль очерчен дугами окружностей и лекальными кривыми, обеспечивающими безударное скольжение пластин 7 по поверхности статора 5. Рабочими камерами в насосе являются объемы, заключенные между смежными пластинами и поверхностями ротора и статора. При вращении вала насоса и связанного с ним ротора объем каждой рабочей камеры дважды за один оборот уменьшается от V max дои затем возрастает от V min до Благодаря этому дважды осуществляются такты нагнетания и всасывания. Объем V max рабочая камера имеет в те моменты, когда пластины максимально выдвинуты из пазов, а объем V min – когда минимально. В период уменьшения объема рабочая камера проходит то место, где в боковом диске выполнено окно, через которое жидкость вытесняется по каналу в корпусе в полость нагнетания насоса, а в период увеличения объема – место, где в другом боковом диске выполнено окно, через которое жидкость засасывается в рабочую камеру по каналу в корпусе из полости всасывания насоса. Поскольку области низкого и высокого давления расположены соответственно друг против друга, то подшипники ротора разгружены от действия радиальных сил. Это важное положительное качество пластинчатых насосов двукратного действия. Вторым важным свойством этих насосов является равномерность подачи. Недостатком их является то, что пластина не разгружена от радиальных сил (поэтому особенно в зоне всасывания трение пластин о статор велико. Такие насосы могут нормально работать только при рн < 7 МПа. Разработан способ разгрузки пластин. Насосы с разгруженными пластинами можно использовать до рн = 16 МПа. Роторно-поршневые насосы Роторно-поршневые насосы имеют более сложную конструкцию и поэтому дороже чем шестеренные и пластинчатые. Главное их достоинство заключается в том, что они сохраняют высокую подачу до весьма больших давлений нагнетания. Рабочими камерами у роторно-поршневых насосов являются цилиндры, а вытеснителями - поршни или плунжеры. При вращении приводного вала насоса поршни совершают возвратно-поступательное движение в цилиндрах, благодаря чему осуществляются такты всасывания и нагнетания жидкости. При этом блок цилиндров вращается вместе с приводным валом и рабочие камеры по каналам распределителя сообщаются с полостями всасывания и нагнетания насоса. Способы преобразования вращательного движения приводного вала в возвратно-поступательное движение поршней отличаются большим разнообразием. Поэтому признаку ро- торно-поршневые насосы можно разбить на два класса аксиальные и радиальные. У первых оси цилиндров параллельны (или почти параллельны, у вторых - направлены по радиусам. Аксиальные насосы более компактны и применяются чаще. Возврат- но-поступательное движение поршней у таких насосов осуществляется или с помощью шатунного привода или с помощью наклонного диска. Аксиально-поршневой насос с наклонным диском (рис. 72) состоит из ротора 4, жестко связанного с приводным валом 1, опорной крышки 2, распределительной шайбы 3, пружин 5, наклонного диска 6 и плунжеров 9. При вращении приводного вала 1 вращается и жестко связанный с ним ротор. Рис. 72. Схема аксиально-поршневого насоса с наклонным диском Плунжеры 9 выталкиваются из цилиндров пружинами 5 и упираются в подшипник наклонного диска 6. За один оборот приводного вала 1 плунжер 9 под действием пружины 5 и наклонного диска 6 перемещается от положения максимального входа в цилиндр (нижний цилиндр на рисунке) до положения максимального выхода из цилиндра (верхний цилиндр на рисунке) и обратно. Вовремя выхода плунжера из цилиндра через отверстие в дне цилиндра, одну из канавок 7 и канал в опорной крышке 2 рабочая жидкость всасывается в насос. Вовремя входа плунжера в цилиндр через отверстие в цилиндре, вторую канавку 7 и другой канал в опорной крышке 2 рабочая жидкость подается на выход из насоса. Насосы оснащенные устройством 8 для изменения наклона диска 6 являются регулируемыми. При помощи этого устройства можно менять угол наклона диска 6 по отношению к приводному валуи тем самым изменять подачу насоса от нуля до максимума. У нерегулируемых насосов диск 6 имеет фиксированный наклон устройство отсутствует. Рабочий объем роторно-поршневых насосов аксиального типа можно определить по формуле γ π = tg zD d q 4 2 , где d – диаметр поршней (плунжеров, см z – число поршней D – диаметр окружности, по которой расположены оси цилиндров, см γ – угол наклона блока цилиндров или наклона диска коси вала насоса. Радиально-поршневой насос (рис. 71) состоит из статора 1, ротора 2 с цилиндрами и плунжерами 6, вращающегося вокруг неподвижной оси 5. Ось 5 относительно статора расположена с эксцентриситетом. Вследствие этого, при вращении ротора 2, плунжера 6 под действием центробежных сил прижимаются к статору 1 и, скользя по нему, совершают возврат- но-поступательное движение. При этом, когда плунжера 6 выдвигаются, отверстия в цилиндрах проходят вырез в оси 5, к которому выходит канал для подвода рабочей жидкости 3. Происходит всасывание рабочей жидкости в насос. Когда плунжера 6 входят в цилиндры, отверстия в цилиндрах проходят другой вырез в оси 5, к которому выходит канал для отвода рабочей жидкости 4, - происходит нагнетание рабочей жидкости. Рис. 73. Схема радиально-поршневого насоса Если ось 5 подвижна относительно статора 1, то насос является регулируемым, так как в этом случае можно менять подачу насоса от нулевой когда эксцентриситет равен нулю) до максимальной (при максимальном эксцентриситете. Перейдем к рассмотрению вопроса о характеристиках объёмных насосов. Характеристики объемных насосов Работа любой машины оценивается по ее характеристикам – зависимостям показателей работы машины от внешних условий (факторов. Показателями работы объемных насосов являются подача насоса Q – объём жидкости, подаваемой в напорную магистраль в единицу времени полезная пи потребляемая о мощности объемный о , механический мехи полный коэффициенты полезного действия насоса. Внешними факторами являются давление нагнетания рн; давление на входе в насос рвх и число оборотов вала насосов в единицу времени n (частота вращения вала насоса. Зависимости н, n); ни Nп(pн, n) при нормальной работе насоса при полном заполнении его рабочих камер в такте всасывания) называются рабочими характеристиками, а зависимость Q(pвх, n) – кавитационной характеристикой. Поскольку обычно насосы работают при постоянном значении, то указанные характеристики на практике представляются в виден, Nп(pн), нивх) при n = const. При n = const эти характеристики имеют вид, представленный на рис. 74. Рис. 74. Рабочие характеристики объемного насоса Рассмотренные характеристики объёмных насосов содержат в себе полную информацию об их работе на разных режимах. Но для каждого насоса можно выделить режим работы, при котором его показатели являются наиболее рациональными (оптимальными. Такие режимы и рабочие параметры, соответствующие максимальному кпд, называются номинальными. Они указываются в паспорте каждого насоса. По ним подбирается насос при разработке ОГП. Что касается характеристик, то они используются при эксплуатации и разработке самих насосов. Баланс энергии в объемных насосах Баланс мощности в насосе наглядно можно представить в виде схемы, представленной на рис. 75. Рис. 75. Баланс мощности насоса Подведенная к насосу мощность ω = кр П М N Полезная мощность н н р Q N н = Объемные потери Механические потери Гидравлические потери п тр п N N N мех − = η п об п N N N об − = η п г п N N N г − = η Мощность, которая подводится к валу насоса называется подведенной. Она равна произведению крутящего момента навалу на его угловую скорость ω = кр П М N Мощность, которую мы получаем от насосав виде потока жидкости под давлением на выходе из него называется полезной мощностью насосав дальнейшем просто мощностью насоса н н р Q N н = . (61) Отношение полезной мощности насоса к подведенной мощности называется общим КПД насоса П N N н = η , (62) а разность п - н = пот называется потерями мощности в насосе. Потери мощности в насосе делятся на объемные, механические и гидравлические. Объемные потери – это потери мощности из-за внутренних утечек Q ут и неполного заполнения камер Q неп насоса. Они равны н неп ут p Q Q N ) ( об + = Объемный КПД насоса определится из соотношения п об п N N N об − = η Для современных насосов объемный КПД находится в пределах 0,92...0,96. Значения КПД приведены в технических характеристиках насосов. Механический КПД характеризует потери на терние в подвижных соединениях между деталями насоса. При относительном перемещении соприкасающихся поверхностей в зоне их контакта всегда возникает сила трения, которая направлена в сторону, противоположную движению. Мощность, затраченная на преодоление сил трения, определяется по формуле ω = тр тр М N , где М тр – момент трения в насосе, Нм ω – угловая скорость вала насоса, рад/с. Механический КПД определяется из соотношения п тр п N N N мех − = η Для современных насосов механический КПД также находится в пределах. Гидравлический КПД характеризует потери на деформацию потока рабочей жидкости в напорной камере и на трение жидкости о стенки сосуда. Эти потери примерно на порядок ниже механических потерь на трение и часто в инженерных расчетах не учитываются или объединяются с механическими потерями на трение. В этом случае объединенный КПД называется гидромеханическим. Мощность, затраченная на гидравлические потери, определится 91 ) ( г Н К н р р Q N − = , где р К – давление в напорной камере насоса, Пар н – давление в напорной гидролинии на выходе из насоса, Пан- подача насосам с. Гидравлический КПД определяется нз соотношения п г п N N N г − = η Общий КПД насоса равен произведению КПД объемного, гидравлического и механического г мех об η ⋅ η ⋅ η = η Таким образом, баланс мощности насоса дает представление о потерях, возникающих в насосе, общем КПД и всех его составляющих. Объемные гидромашины, рассмотренные выше, используются в основном в гидро- и пневмоприводах Гидроприводы Гидропривод – это совокупность устройств, в число которых входит один или несколько объемных гидродвигателей, предназначенная для приведения в движение механизмов и машин посредством рабочей среды под давлением. Область применения гидропривода (ГП) очень широкая. Они применяются в станках, мобильных машинах, авиации, космонавтике и др. Широкое применение обусловлено достоинствами, которыми они обладают. К основным достоинствам относятся 1. Малая удельная масса, те. масса, отнесенная к передаваемой мощности и вытекающая отсюда возможность передачи больших усилий и мощностей при ограниченных размерах его элементов (табл. 9). Таблица Удельная мощность и объем основных типов двигателей Характеристика Тип двигателя пневматический гидравлический электрический Мощность на единицу массы, кВт / кг 0,3 ... 0,4 0,5 ... 1,0 0,02 ... 0,1 Мощность на единицу объема, кВт / дм 1,0 ... 1,2 2,0 0,05 ... 0,2 2. Малая инерционность вращающихся частей, обеспечивающая быструю смену режимов работы (пуск, разгон, реверс, остановка) и высокую производительность машины. 3. Бесступенчатое регулирование скорости движения выходного звена рабочего органа ГП) в широком диапазоне, возможность создания больших передаточных отношений (при использовании высокомоментных гидромото- ров – до 2000). 4. Простота преобразования вращательного движения в возвратно- поступательное (путем использования в качестве двигателей гидроцилиндров. Возможность простого и надежного предохранения приводящего двигателя от перегрузок. 6. Возможность размещения элементов привода там, где это наиболее целесообразно насоса – у приводящего двигателя, двигателя – непосредственно у рабочих органов машины, элементов управления – у пульта оператора. Это свойство объемных приводов существенно облегчает компоновку машины и делает ее наиболее рациональной. ГП имеет и недостатки, которые ограничивают его использование. 1. КПД несколько ниже, чем механических и электрических передач (из-за потерь на трение и утечек через зазоры) и, кроме того, он снижается в процессе регулирования и по мере выработки ресурса (из-за увеличения зазоров. Условия эксплуатации (температура) влияют на его характеристики в связи с изменением вязкости рабочей жидкости. 3. Повышенная чувствительность к свойствам рабочей жидкости, необходимость в постоянной ее фильтрации для обеспечения надежности работы всех элементов. 4. Высокие требования к материалами классу точности изготовления составляющих элементов, что повышает их стоимость. 5. Необходимость достаточно высокой культуры обслуживания. 6. Загрязнение помещений из-за неизбежных утечек масла из гидропривода. Основные составляющие и работу объемного гидропривода проследим на примере полуконструктивной схемы, представленной на рис. 76. Рис. 76. Полуконструктивное изображение гидропривода поступательного движения Насос 2, приводимый электродвигателем 11, всасывает рабочую жидкость из бака 1 и через фильтр 4 подает в гидросистему, причем максимальное давление ограничено настройкой гидроклапана давления 3 (контролируется манометром 10). В зависимости от положения рукоятки распределителя рабочая жидкость по гидролиниям 6 поступает в одну из полостей |