КЛ ГПП. Учебное пособие Воронеж 2010 гоувпо Воронежский государственный технический университет
 Скачать 21.96 Mb.
|
|
1.3.2. Гидроприводы станочных приспособлений и технологической оснастки Станочными приспособлениями называют дополнительные устройства к металлорежущим станкам, позволяющие наиболее экономично в заданных производственных условиях обеспечить заложенные в конструкции детали требования к точности размеров, формы и взаимного положения обрабатываемых поверхностей. К станочным приспособлениям относятся: устройства для установки и закрепления обрабатываемых деталей на станках (приспособления), устройства для установки и крепления режущего инструмента на станках (вспомогательный инструмент) и др. В настоящее время механизируют, а во многих случаях и автоматизируют, установку и закрепление обрабатываемых деталей, поворот приспособлений в процессе обработки, снятие обработанных деталей со станков, транспортировку их для последующей обработки и др. Для этих целей в отечественном крупносерийном и массовом производствах широко используется сжатый воздух, жидкости под давлением, электроэнергия и др. Наиболее широко используется сжатый воздух (пневматика), так как пневматические устройства, например пневматические приводы приспособлений, отличаются быстротой действия, относительной простотой конструкции, легкостью и простотой управления, надежностью и стабильностью в работе. По быстроте действия пневмоприводы значительно превосходят не только ручные, но и многие механизированные приводы. Если, например, скорость течения масла, находящегося под давлением в трубопроводе гидравлического устройства, составляет 2,5 - 4,5 м/сек, а максимально возможная - 9 м/сек, то воздух, находясь под давлением 4 - 5 кг/см2, распространяется по трубопроводам со скоростью до 180 м/сек и более. Поэтому в течение 1 ч возможно осуществить до 2500 срабатываний пневмопривода. К преимуществам пневмопривода следует отнести то, что его работоспособность не зависит от колебаний температуры окружающей среды. Большое преимущество состоит также в том, что пневмоприводы обеспечивают непрерывное действие зажимной силы, вследствие чего эта сила может быть значительно меньше, чем при ручном приводе. Это обстоятельство весьма существенно при обработке тонкостенных деталей, склонных к деформациям при зажиме. Кроме того, сжатый воздух используют для удаления стружки и мелких деталей, для охлаждения инструмента во время обработки. Сжатый воздух применяют в непрерывно действующих притирочных устройствах. Турбинный пневмопривод используется в быстроходных сверлильных головках с числом оборотов до 100000 в минуту, которыми пользуются для сверления отверстий диаметром менее 0,25 мм. Чтобы использовать сжатый воздух в приспособлениях, требуется соответствующая силовая, воздухопроводящая, регулирующая и контролирующая аппаратура. Для предохранения рабочих органов этой аппаратуры от окисления, загрязнения и в связи с этим от преждевременного выхода из строя воздух должен быть освобожден от влаги, масла, кислот и всяких механических включений. Очистка воздуха обычно производится дважды. Предварительно в отдельных холодильных установках воздух под действием циркулирующей по трубам воды охлаждается до комнатной температуры и выделяет излишнюю влагу. Вторичная очистка воздуха происходит в расположенных на рабочих местах специальных фильтрующих устройствах, в которые он поступает от общезаводской или общецеховой компрессорной установки под давлением 4 - 5 кГс/см2. Первоначальное давление воздуха, создаваемое компрессором, находится в пределах 7 - 8 кГс/см2. По конструкции силовой части пневмоприводы можно разделить на группу поршневых приводов и группу диафрагменных приводов. В этих приводах давление сжатого воздуха преобразуется в силу, действующую вдоль оси штока, связывающего привод с зажимным механизмом приспособления для обрабатываемой детали. Необходимая сила зажима детали в приводах первой группы создается с помощью одно- или двусторонне действующих поршневых цилиндров (пневмоцилиндров), в приводах второй группы также с помощью одно- или двусторонне действующих диафрагменных камер (пневмокамер), которые могут быть стационарными и вращающимися. Односторонне действующие пневмоцилиндры применяются при относительно малой величине требующегося рабочего хода штока, двусторонне действующие - при большом ходе или при необходимости закреплять обрабатываемые детали при прямом и при обратном ходе поршня, например, при поочередном закреплении деталей в двух приспособлениях, расположенных с двух сторон от пневмоцилиндра. В практике встречаются пневмоцилиндры с движением двух поршней в разные стороны или с противоположным движением цилиндра и находящегося в нем поршня. Пневмокамеры применимы только при малых ходах штоков. Гидравлические приводы по принципу работы аналогичны пневматическим поршневым приводам. В них также необходимая сила, с помощью которой осуществляется тот или другой элемент операции (зажим обрабатываемой детали, поворот приспособления и т.п.), создается с помощью цилиндров одно- или двустороннего действия. Однако оборудование и аппаратура гидроприводов существенно отличаются от оборудования и аппаратуры пневмо-приводов. Применять различные приспособления с гидроприводами можно либо на гидрофицированных станках, оснащённых собственной насосной станцией для питания рабочих цилиндров, либо при наличии отдельных гидроустановок, действующих от самостоятельного электро- или пневмодвигателя, либо при наличии мощных гидростанций, обслуживающих группу станков. Основное достоинство гидроприводов состоит в возможности создания больших давлений в гидроцилиндрах (до 100 кГс/см2 и более) при относительно небольших габаритных размерах цилиндров. Гидроприводы по сравнению с пневмоприводами более устойчивы при изменениях нагрузки на деталь в процессе обработки. Поэтому они широко применяются, например, в автоматических устройствах для копировальной обработки деталей. Высокое давление в гидроцилиндрах позволяет обойтись без специальных усилителей зажимов, часто необходимых при использовании пневмоприводов для закрепления деталей, при обработке которых возникают большие силы резания. Гидроприводы имеют сложную конструкцию и затраты на их изготовление больше по сравнению с пневмоприводами. Кроме того, у гидроприводов происходит утечка масла через уплотнения в местах сопряжения подвижных деталей. Для сбора этого масла необходимо применять специальные устройства, а также расходовать при этом дополнительную энергию на циркуляцию в системе масла, перекачиваемого для восполнения утечки. На работоспособность гидропривода оказывает влияние качество масла, например, его вязкость. Обычно используется веретенное масло 2 или 3 и турбинное Л. Вакуумными называют приводы, с помощью которых под обрабатываемой деталью или над ней создаётся разреженная полость, в результате чего деталь надёжно прижимается к буртику этой полости всей своей опорной поверхностью силой атмосферного давления. Деформация детали, возможная при использовании зажимов, создающих сосредоточенные силы, в этом случае исключается, хотя при больших размерах опорной поверхности сила зажима выражается сотнями и тысячами Ньютонов. Конструкция вакуумных приспособлений проста, так как в них не требуется создавать специальных механических устройств для закрепления обрабатываемых деталей. Применение вакуумных приспособлений особенно удобно для обработки плоских тонкостенных деталей из диамагнитных материалов, так как такие детали невозможно укреплять в магнитных и электромагнитных приспособлениях, очень удобных для крепления тонкостенных деталей из магнитопроводных материалов. Вакуумные приводы иногда представляют цилиндрические емкости с двумя полостями, перегороженные жесткой перегородкой. Поршни этих полостей помещены на одном штоке, поэтому когда одна полость между перегородкой и поршнем заполняется сжатым воздухом, во второй полости создается разрежение. При подключении к этой полости приспособления, установленного на том или другом станке, в нее попадает воздух, находящийся под обрабатываемой деталью, установленной в зажимном приспособлении, и деталь оказывается закрепленной. 1.3.3. Применение гидропневмоприводов для средств комплексной механизации и автоматизации технологических процессов Комплексная механизация и автоматизация технологических процессов при изготовлении деталей имеет целью повышение качества, производительности, коэффициента загрузки оборудования, улучшения условий труда, экономических показателей производства. Для сокращения вспомогательного времени при механической обработке деталей на металлорежущих станках автоматизации подвергают такие операции, как установка, закрепление и снятие обрабатываемой заготовки, смена и замена инструментов, контроль деталей на станке, транспортирование и подача в рабочую зону обрабатываемых заготовок, очистка металлорежущего инструмента от стружки и ее удаления от станка и т.д. Для этих целей широкое применение в технических системах находят гидравлические и пневматические приводы. Гидропривод обладает малой инерционностью подвижных частей, что обеспечивает его высокое быстродействие и позволяет быстро реверсировать и тормозить исполнительное устройство. Гидропривод имеет в 3-10 раз меньшую массу и габаритные размеры, чем электропривод. Он обеспечивает бесступенчатое регулирование скорости движения, долговечен, конструкция устройств, предотвращающих его поломку при перегрузке, проста и надежна. Гидропривод позволяет легко обеспечивать автоматизацию циклов движений. КПД гидродвигателей находится в пределах 85-95 %, что выше, чем у электрических машин. В станках с ЧПУ гидроприводы применяют чаще всего в движениях подач и как следящие приводы. В цепях главного движения они применяются главным образом в станках с возвратно-поступательным движением. В станках с ЧПУ обычно применяются две схемы питания гидродвигателей: объемное (от гидронасоса с регулируемой производительностью) и дроссельное (посредством золотника). Диапазон регулирования величин подач в станках с ЧПУ должен перекрывать как рабочие подачи, так и быстрые перемещения. Он достигает 10000 мм/мин и выше. Необходимо обеспечивать высокую точность и плавность перемещений при малых рабочих подачах (1-4 мм/мин). В зависимости от системы управления приводы подач бывают дискретными (шаговыми) и следящими. Шаговый привод подачи применяется в разомкнутых (без обратной связи) системах управления. В шаговых приводах применяются шаговые электродвигатели (ШД), которые бывают маломощными (управляющими) и силовыми. В приводах с маломощными ШД в качестве усилителей крутящего момента обычно применяют гидравлические усилители. При этом крутящий момент гидромотора может превышать крутящий момент шагового двигателя до 300 раз. Для удаления стружки от станков обычно применяют комбинации различных типов устройств. Так, например, стружка из каждого станка смывается сильной струей СОЖ и поступает в общий желоб, по которому движется в сборник. В сборнике СОЖ отделяется от стружки и подается насосом обратно к станкам. Для уборки стружки также применяются пневматические устройства, которые бывают с нагнетательной, всасывающей и всасывающе- нагнетательной системами. 1.3.4. Гидропневмоприводы и гидросистемы, обеспечивающие рабочий процесс при изготовлении и обработке деталей В настоящее время в технологии машиностроения достаточно широко применяют различные способы изготовления деталей, рабочие процессы в которых неразрывно связаны с движением жидких сред. При формообразовании заготовок к таким процессам относятся процессы центробежного литья, литья под давлением, процессы гидродинамической очистки отливок от остатков формовочной смеси, шлаков и т.п., процессы гидродинамической штамповки листовых заготовок, разнообразные сборочные процессы и т.д. В области размерной обработки к таким процессам относят электрохимическую и разнообразные комбинированные методы обработки. Сущность электрохимической размерной обработки заключается в растворении материала детали в электролитах под действием электрического поля. Также применяется и обратный процесс - гальванопластика, позволяющий покрывать поверхность детали слоем хрома, никеля, цинка, меди и др. за счет осаждения их ионов из растворов электролита. Под действием тока в электролите материал анода (в большинстве случаев это заготовка) растворяется и в виде продуктов обработки выносится из межэлектродного пространства (МЭП) потоком электролита. Кроме того в результате электрохимических реакций образуются и газообразные продукты, которые также удаляются с потоком электролита в атмосферу. Необходимым условием осуществления процесса ЭХО является удаление продуктов обработки из областей, расположенных в местах их активного выделения (прианодная и прикатодная области). В большинстве случаев это достигается принудительной прокачкой электролита. Если процесс ЭХО протекает в течение нескольких секунд, например, при маркировании деталей по схеме с неподвижными электродами, то электролит не успевает загрязниться продуктами обработки. В таких условиях электролит не прокачивают. При времени процесса до 8-10 секунд для перемещения электролита могут быть использованы ультразвуковые или низкочастотные вибрации электродов или влажные ленты, перемещаемые через электродный зазор. Если обрабатывают детали, предназначенные для перемещения газов или жидкостей (крыльчатки компрессоров, насосов, шнеков т др.), то электролит можно перемещать за счет вращения самой заготовки. Жидкость протекает по зазору между электродами со скоростью, регулируемой частотой вращения заготовки. В остальных случаях используют насосы. Наиболее широко применяют центробежные насосы, выполняемые из нержавеющей стали. Они не боятся загрязнения перекачиваемой жидкости и надежны в работе. При ЭХО в электролите происходит накопление продуктов обработки и при малых межэлектродных зазорах между электродом-инструментом и обрабатываемой деталью может происходить пробой и короткое замыкание. Поэтому электролиты в процессе эксплуатации подвергают очистке. Наиболее часто применяемыми способами очистки электролита является отстой, центрифугирование, очистка вакуумными и пресс-фильтрами, электрофлотацией или осаждением продуктов обработки с помощью коагуляторов. Электрохимические станки могут комплектоваться также тарельчатыми сепараторами, пластинчатыми отстойниками и другими устройствами для очистки электролитов. Регулирование температуры и состава электролитов осуществляют в специальных ваннах автоматическими системами. Для подогрева и охлаждения электролитов с целью стабилизации температурного режима обработки в ваннах устанавливают теплообменники. Взаимное комбинирование традиционных и нетрадиционных технологических процессов механической обработки изделий привело к созданию, так называемых, комбинированных методов обработки. Комбинированные методы обработки образуются сочетанием различных технологических приемов, в каждом из которых пытаются использовать и усилить положительные признаки, необходимые для технологического процесса изготовления детали. Если одной из составляющих комбинированных способов является электрохимическая обработки детали в среде электролита, то для его принудительной подачи используют гидроприводы, аналогичные гидроприводам, применяемым в процессах ЭХО. ЛЕКЦИЯ 2 2.1. Гидромашины, их общая классификация и основные параметры Основными элементами практически всех гидросистем являются гидромашины. Гидромашина – это устройство, создающее или использующее поток жидкой среды. Посредством этого устройства происходит преобразование подводимой механической энергии в энергию потока жидкости или наоборот. К гидромашинам относятся насосы и гидродвигатели. Насосом называется гидромашина, преобразующая механическую энергию привода в энергию потока рабочей жидкости. Основными параметрами, характеризующими работу насоса, привод которого осуществляется от источника механической энергии вращательного движения, являются: • напор насоса или давление, создаваемое насосом; • подача насоса; • частота вращения или угловая скорость вала насоса; • мощность насоса (полезная и потребляемая); • коэффициент полезного действия (КПД) насоса. Рассмотрим подробнее эти параметры. Напор насоса  – это приращение полной удельной механической энергии жидкости в насосе, т. е. , (2.1)где индекс 1 характеризует параметр потока на входе в насос (в области всасывания), а индекс 2 – параметр на выходе насоса. Для существующих конструкций насосов разность высот  расположения центров тяжести входного и выходного проходных сечений ничтожно мала и ею в расчетах пренебрегают.Разность скоростных напоров (третье слагаемое в формуле (2.1)) может иметь существенное значение только в низконапорных насосах при условии, что в их конструкции площади входного и выходного проходных сечений отличаются по величине. Для подавляющего большинства насосов основной величиной, определяющей значение напора насоса, является разность пьезометрических высот (второе слагаемое в формуле (2.1)). Очень часто разность давлений на выходе и входе насоса называют давлением, создаваемым насосом, или просто давлением насоса  , величину которого, с учетом вышесказанного, можно принять равной . (2.2)Следует обратить внимание на то, что в паспорте насоса приводятся либо напор насоса  , либо давление, создаваемое насосом  . При необходимости получить другой параметр следует воспользоваться формулой (2.2).Подача насоса  – объем жидкости, подаваемый насосом в напорный трубопровод в единицу времени.Частота вращения вала насоса n – в паспорте, как правило, оговаривается номинальное, максимальное и минимальное значение этого параметра. Угловая скорость ω – в некоторых паспортах насосов угловая скорость приводится вместо частоты вращения вала насоса. Эти два параметра связаны между собой соотношением: ω = 2πn. (2.3) Мощность насоса N – это мощность, потребляемая насосом от привода. При известных моменте MН на валу насоса и угловой скорости вращения ω этого вала мощность насоса равна N = MНω. (2.4) Полезная мощность насоса NП – это мощность, сообщаемая насосом потоку жидкости. Полезная мощность насоса определяется по формуле:  . (2.5)Коэффициент полезного действия насоса  – это отношение полезной мощности, развиваемой насосом, к потребляемой: . (2.6)Гидродвигатель – это гидромашина, преобразующая энергию потока рабочей жидкости в механическую работу. Таким образом, гидродвигатель использует энергию потока рабочей жидкости с целью выполнения некоторой полезной работы. Выходным звеном гидродвигателя называется его элемент, непосредственно совершающий полезную работу. В зависимости от характера движения выходного звена различают гидродвигатели вращательного, поворотного и возвратно-поступательного движения. Основными параметрами, характеризующими работу гидродвигателя, выходное звено которого совершает вращательное (гидромотор) или поворотное движение, являются: • напор, потребляемый гидродвигателем, или перепад давления на гидродвигателе; • расход, потребляемый гидродвигателем; • частота вращения или угловая скорость вала гидродвигателя; • момент, реализуемый на валу гидродвигателя; • мощность гидродвигателя (полезная и потребляемая); • коэффициент полезного действия (КПД) гидродвигателя. Рассмотрим эти величины подробнее. Напор, потребляемый гидродвигателем  – это полная удельная механическая энергия, отбираемая гидродвигателем у потока рабочей жидкости, то есть , (2.7)где индекс 1 характеризует параметр потока на входе в гидродвигатель, а индекс 2 – параметр на выходе из гидродвигателя. Для подавляющего большинства гидродвигателей основной величиной, определяющей значение напора , потребляемого гидродвигателем, является разность пьезометрических высот (второе слагаемое в формуле (2.7)).Очень часто разность давлений на входе и выходе гидродвигателя называют давлением, потребляемым гидродвигателем, или перепадом давления на гидродвигателе  , величину которого можно рассчитать по формуле: . (2.8)Иногда, при гидравлическом расчете трубопровода, содержащего гидродвигатель, величина перепада давления на гидродвигателе называется также потерей давления в гидродвигателе.Расход, потребляемый гидродвигателем  – объем жидкости, потребляемый гидродвигателем из напорного трубопровода в единицу времени.Частота вращения выходного вала гидродвигателя n – в паспорте, как правило, оговаривается номинальное, максимальное и минимальное значение этого параметра. При выборе гидродвигателя следует обращать внимание на то, чтобы рабочий диапазон частот вращения вала гидродвигателя вписывался в диапазон, оговоренный в паспорте. Момент, реализуемый на выходном валу гидродвигателя  – в паспорте оговаривается номинальное значение момента, которое при выборе гидродвигателя должно соответствовать максимальному расчетному моменту сопротивления вращению его вала от внешней нагрузки, подключенной к выходному валу гидродвигателя.Мощность гидродвигателя N – это мощность, потребляемая гидродвигателем у потока рабочей жидкости, проходящего через него. Мощность гидродвигателя определяется по формуле:  . (2.9)Полезная мощность гидродвигателя  – это мощность, развиваемая на валу гидродвигателя. При известных моменте сопротивления вращению вала гидродвигателя и угловой скорости вращения ω = 2πn этого вала полезная мощность определяется по формуле: . (2.10)Коэффициент полезного действия гидродвигателя  – это отношение полезной мощности, развиваемой гидродвигателем, к потребляемой им мощности: . (2.11)Гидродвигатель с возвратно-поступательным движением выходного звена (гидроцилиндр) вместо частоты вращения и момента характеризуется: • скоростью поступательного движения штока V; • преодолеваемой внешней силой (нагрузка на штоке) F. Отсюда полезная мощность, развиваемая гидроцилиндром, определяется по формуле:  . (2.12)Коэффициент полезного действия гидромашины позволяет оценить, какая часть потребляемой мощности теряется в ней. В гидромашинах различают три основных вида потерь энергии. Гидравлические потери – это потери напора на движение жидкости в каналах внутри гидромашины, оцениваются гидравлическим КПД  .Применительно к насосу гидравлический КПД равен:  , (2.13)где – действительный напор, передаваемый насосом жидкости; – теоретический напор насоса;Σh – суммарные потери напора на движение жидкости внутри насоса. Объемные потери – это потери на утечки и циркуляцию жидкости через зазоры внутри гидромашины из области высокого давления в область низкого, оцениваются объемным КПД  .Применительно к насосу объемный КПД равен:  , (2.14)где  – действительная подача насоса, поступающая в гидросистему; – теоретическая подача насоса; – суммарная утечка жидкости через зазоры внутри насоса из области нагнетания в область всасывания;Механические потери – это потери на механическое трение в подшипниках и уплотнениях гидромашины, оцениваются механическим КПД  .Применительно к насосу механический КПД определяется по формуле:  , (2.15)где  – мощность, затрачиваемая на преодоление сил трения, возникающих в подшипниках и уплотнениях насоса; – гидравлическая мощность насоса – это та мощность, которую насос передал бы жидкости, если бы не было объемных и гидравлических потерь, т.е. . (2.16)Запишем выражение для полного КПД насоса (2.16) в виде: и умножим числитель и знаменатель на гидравлическую мощность. Используя формулу (2.16), получим  .После сокращения и перегруппировки множителей получим  . (2.17)Таким образом, полный КПД насоса равен произведению трех частных КПД – гидравлического , объемного и механического  .Такой же результат получается и для гидродвигателя. Кроме перечисленных, одним из основных параметров, позволяющим судить о возможностях гидромашины, является ее внешняя характеристика. Обычно в паспорте на характеристике указывается зона, в пределах которой рекомендуется его эксплуатация. Эта зона называется рабочей частью характеристики. Под характеристикой насоса в большинстве случаев понимается графическая зависимость основных его технических показателей (напора, давления, мощности, КПД и т.д.) от подачи при постоянных значениях частоты вращения приводного вала, вязкости и плотности рабочей жидкости на входе в насос. Все гидромашины по принципу действия делятся на два основных типа: динамические и объемные. Динамическая гидромашина – это гидромашина, в которой силовое взаимодействие ее рабочего органа с жидкостью происходит в проточной полости, постоянно сообщенной с входом и выходом гидромашины. Объемная гидромашина – это гидромашина, в которой силовое взаимодействие ее рабочего органа с жидкостью происходит в герметичной рабочей камере, попеременно сообщающейся с входом и выходом гидромашины. Динамическую гидромашину также называют «проточной», так как в ней внутренняя полость всегда сообщена как с ее входом, так и с выходом, а объемную – «герметичной», потому что в ней герметичная рабочая камера может быть подключена либо только к входу гидромашины, либо только к ее выходу. Это значит, что в объемной гидромашине вход и выход всегда герметично отделены друг от друга. Для рабочего процесса динамической гидромашины характерны большие скорости движения ее рабочих органов и рабочей жидкости, а рабочий процесс объемной гидромашины заключается в силовом взаимодействии рабочей жидкости и вытеснителя гидромашины. Большие скорости движения жидкости и рабочих органов объемной гидромашины при этом в принципе не обязательны, так как основную роль в рабочем процессе играет давление, которое создается в результате действия больших сил на малые площади. 2.2. Динамические насосы: основные сведения, классификация В динамических насосах силы, действующие на жидкость со стороны энергосообщителя, создают постоянный поток жидкой среды. Поэтому рабочие органы динамического насоса обычно называют его проточной частью. По принципу действия энергосообщитель динамического насоса должен быть достаточно быстроходным, что легко осуществимо при его вращательном движении. Наиболее распространенными видами динамических насосов являются лопастные или лопаточные насосы, которые в зависимости от направления движения жидкой среды называются центробежными, диагональными или осевыми. В осевых насосах основное движение жидкости происходит вдоль оси вращения, в центробежных – от центра к периферии. В лопастных насосах жидкая среда перемещается от входа к выходу путем обтекания лопастей или лопаток. В этих насосах трение – нежелательное явление, снижающее экономичность работы машины. Лопастный насос может сообщать энергию идеальной жидкости, лишенной вязкости. Насос, в котором жидкая среда перемещается за счет сил вязкостного трения, назовем насосом трения. В этом насосе энергия может сообщаться гипотетической жидкости с конечной величиной вязкости, но с плотностью, равной нулю: в машине будет происходить приращение давления, т.е. объемной удельной энергии. В чистом виде силы трения проявляются только при ламинарном режиме течения жидкости. При турбулентном режиме течения жидкости проявляются и силы инерции, в результате действия которых происходит обмен количеством движения между частицами жидкости в соседних слоях. Свойство вязкости проявляется здесь только как первичный фактор, приводящий в движение или тормозящий частицы, которые находятся вблизи жестких границ потока: в случае насоса – это границы энергосообщителя. Известны различные конструкции насосов трения, наиболее распространенными являются вихревые, дисковые, черпаковые, лабиринтные насосы. 2.3. Центробежный насос Центробежный насос является самым распространенным видом лопастных насосов. В лопастных насосах жидкая среда перемещается благодаря силовому воздействию на нее системы лопастей, подобных крылу самолета. Проточная часть центробежного насоса с осевым подводом и спиральным отводом изображена на рис. 2.1 и 2.2. Энергосообщитель центробежного насоса – рабочее колесо (9) – представляет собой конструкцию, состоящую из нескольких  Рис. 2.1. Схема центробежного насоса Рис. 2.2. Устройство центробежного насоса лопастей, расположенных центрально симметрично в плоскости, перпендикулярной оси вращения. Лопасти спроектированы (точнее – спрофилированы) таким образом, чтобы при вращении рабочего колеса возникали силы, противодействующие этому движению. Тогда лопастная машина будет работать либо в режиме гидравлического тормоза, если подводимая механическая энергия будет рассеиваться, переходя в тепло, либо в режиме насоса, если подводимая механическая энергия будет переходить в потенциальную и кинетическую энергию жидкой среды. Лопасти (или лопатки) либо ограничены цилиндрическими поверхностями с образующими перпендикулярными задней и передней стенками, либо поверхностями двоякой кривизны. Рабочее колесо называют иногда лопастным колесом, лопаточным колесом, крыльчаткой. Задачей входного устройства является подвод жидкости к рабочему колесу с наименьшими потерями. Входные устройства могут быть различного вида: осевыми, коленообразными, полуспиральными, лопаточными и т.д. Задачей отводящего устройства является сбор выходящей из рабочего колеса жидкости и частичное преобразование кинетической энергии в потенциальную. Кроме спирального отвода, применяют кольцевые и лопаточные отводящие устройства. Вследствие особенностей кинематики потока в спиральных и кольцевых отводах течение жидкой среды в них сопровождается существенными потерями. Поэтому для повышения эффективности центробежного насоса за спиральным отводом устанавливают диффузор, в котором происходит основное преобразование кинетической энергии потока в потенциальную. Характеристика центробежного насоса, т.е. графическая зависимость напора, мощности и КПД от подачи при постоянных значениях частоты вращения, вязкости и плотности жидкой среды на входе в насос, представлена на рис. 2.3. Напорная характеристика H = H(Q) и мощностная характеристика N = N(Q) являются независимыми; кривая КПД η = η(Q) определяется первыми двумя.  Рис. 2.3. Характеристики центробежного насоса Анализ устройства и принципа действия центробежного насоса показал, что эта машина будет иметь достаточную эффективность при условии быстроходного привода. Центробежные насосы применяются в водоснабжении, в энергетике, в системах топливоподачи, в различных технологических процессах. Они перекачивают различные жидкие среды: от жидкого водорода до расплавленного металла. Диапазон подач колеблется от 10 см3/c до 10 м3/c , давление – от 104Н/м2 (0,1 кг / см2 ) до 5 107 Н/м2 (500 кг / см2 ), частота вращения достигает 100000 об/мин и более. 2.4. Вихревой насос Вихревой насос по современной классификации – это насос трения, в котором жидкая среда перемещается по периферии рабочего колеса в тангенциальном направлении. В настоящее время они получили широкое применение при малых подачах и относительно высоких напорах, там, где центробежные насосы недостаточно эффективны из-за больших объемных и механических потерь. Компактность и малая металлоемкость вихревых насосов, способность к самовсасыванию и крутопадающая напорная характеристика делают их незаменимыми для подачи легколетучих жидкостей и жидкостей, насыщенных газами. Рабочими органами вихревого насоса (рис. 2.4) являются рабочее колесо 4 с лопатками, расположенными в его периферийной части, и рабочий канал 1, выполненный концентрично рабочему колесу в корпусе 2. Всасывающая и напорная полости разделены перемычкой 6. Колесо установлено в корпусе с небольшими торцевыми зазорами порядка 0,1 мм на сторону, такой же порядок имеет величина радиального зазора между колесом и перемычкой.  Рис. 2.4. Конструктивные схемы вихревых насосов Рабочий процесс вихревого насоса основан на передаче энергии лопастями рабочего колеса потоку жидкости в канале в результате переноса импульса (количества движения) от жидкости, движущейся в ячейках рабочего колеса, к жидкости, движущейся в рабочем канале насоса. Перенос импульса осуществляется за счет увлекающего действия колеса и вследствие возникновения продольных и радиальных вихрей. Передача энергии сложной системой продольных и радиальных вихрей сопровождается большими потерями энергии, поэтому КПД вихревых насосов на оптимальных режимах работы ниже (0,20…0,60), чем у центробежных, несмотря на существенно большую (в 1,5…2 раза) напороспособность при одинаковых значениях окружных скоростей. Из принципа действия вихревых насосов ясно, что они эффективны только для подачи чистых маловязких жидкостей. Они имеют более низкие кавитационные качества по сравнению с центробежными насосами. 2.5. Струйный насос Струйные насосы не имеют подвижных частей, энергосообщителем является поток жидкости (рис. 2.5). Насос состоит из входного устройства, к которому подводится жидкость под большим давлением. В сопле происходит преобразование потенциальной энергии активного потока жидкости Qакт в кинетическую энергию. В камере смешения происходит передача энергии основному или пассивному потоку жидкости Q, затем в диффузоре кинетическая энергия суммарного потока жидкости преобразуется в потенциальную энергию. Активный и пассивный поток могут быть различными жидкостями, например чистой и грязной водой или водой и воздухом.  ЛЕКЦИЯ 3 3.1. Гидродинамические передачи 3.1.1. Общие сведения о гидродинамических передачах Гидропередача − это устройство для передачи механической энергии посредством потока жидкости. В состав гидропередачи входят насос, гидравлический двигатель и соединительные трубопроводы с рабочей жидкостью. Гидропередачи, использующие динамические гидромашины, называются гидродинамическими. В гидродинамических передачах применяют лопастные насосы и, в качестве гидравлических двигателей, лопастные турбины. В реальных конструкциях лопастный насос и гидравлическая турбина предельно сближены и располагаются соосно в общем корпусе. Так как эти две гидромашины имеют общий корпус, то в дальнейшем насос будем называть насосным колесом, а турбину − турбинным колесом. В такой конструкции отсутствуют трубопроводы, поэтому жидкость из насосного колеса сразу попадает на лопатки турбинного колеса, а из турбинного − вновь на лопатки насосного колеса. Гидродинамические передачи, применяемые в машиностроении, подразделяют на гидравлические муфты(гидромуфты) и гидравлические трансформаторы(гидротрансформаторы). Гидромуфты, состоящие из насосного и турбинного колес, служат для передачи энергии без изменения крутящего момента, т. е. моменты на входном и выходном валах гидромуфты практически одинаковы. Гидротрансформаторы, кроме насосного и турбинного колес, имеют хотя бы одно дополнительное колесо. Оно на большинстве режимов работы неподвижно, т.е. является неактивным (реактивным), и поэтому его принято называть реактором. Включение в состав гидротрансформатора реактора позволяет ему изменять (трансформировать) передаваемый крутящий момент. Таким образом, моменты на входном и выходном валах гидротрансформатора на большинстве режимов работы различны. Комплексным называют гидротрансформатор, который в широком диапазоне изменения своих передаточных отношений работает как гидротрансформатор, а при больших значениях передаточных отношений переходит в режим гидромуфты и работает как гидромуфта. Это позволяет существенно повысить его коэффициент полезного действия. 3.1.2. Устройство и рабочий процесс гидромуфты Основными элементами гидравлической муфты являются два соостно установленных лопастных колеса: насосное и турбинное, а также корпус, подшипники и другие детали. На рис. 3.1 приведена схема одной из возможных конструкций гидромуфт. На осевом разрезе гидромуфты показаны насосное колесо Н, турбинное колесо Т и корпус гидромуфты К. У большинства муфт конструкция лопастных колес однотипна и представляет собой половину торообразной полости с плоскими радиально расположенными лопатками. Насосное колесо Н приводится во вращение двигателем с угловой скоростью ω1. Жидкость, находящаяся в межлопастном пространстве насосного колеса, раскручивается вместе с ним и центробежными силами отбрасывается от оси вращения к периферии колеса. Участвуя во вращательном движении вместе с насосным колесом, частицы жидкости приобретает кинетическую энергию и скорость в направле-  нии движения этого колеса. Далее жидкость перемещается с насосного колеса Н на турбинное колесо Т. В межлопаточном пространстве турбинного колеса Т частицы жидкости оказывают воздействие на его лопатки и заставляют его вращаться с угловой скоростью ω2. Вращаясь вместе с турбинным колесом, частицы жидкости постепенно отдают ему кинетическую энергию, полученную в насосном колесе. При этом они перемещаются от периферии колеса к его оси вращения. Затем жидкость переходит с турбинного колеса Т на насосное колесо Н. Далее рабочий процесс повторяется, т.е. жидкость циркулирует в межлопаточном пространстве колес по замкнутому контуру. Графическая зависимость M = f (i) при ω1 = const, где i = ω2/ω1 - передаточное отношение гидромуфты, называется характеристикой гидромуфты. К характеристике гидромуфты также относят зависимость ее КПД от передаточного отношения η = f(i). Режим максимального КПД гидромуфты (95-98%) принято считать расчетным. 3.1.3. Устройство и рабочий процесс гидротрансформатора Основными элементами гидравлического трансформатора являются три соосно установленных лопастных колеса: насосное, турбинное и реактивное (реактор), а также корпус, подшипники и другие вспомогательные детали. На осевом разрезе гидротрансформатора (рис. 3.2) показано насосное колесо Н, турбинное колесо Т, реактивное колесо (реактор) Р и корпус гидротрансформатора К, а также муфта свободного хода. Основным конструктивным отличием колес гидротрансформатора от колес гидромуфты является сложный криволинейный профиль их лопаток (рис. 3.2).  Насосное колесо Н приводится во вращение крутящим моментом двигателя М1. Жидкость, находящаяся в межлопаточном пространстве насоса раскручивается вместе с ним с угловой скоростью ω1 и отбрасывается от оси вращения к периферии колеса. При этом каждая частица жидкости приобретает кинетическую энергию и скорость в направлении вращения колеса. Затем поток жидкости перемещается с насосного колеса на турбинное колесо Т. В межлопаточном пространстве турбинного колеса жидкость, раскрученная в насосном колесе, воздействует на лопатки турбинного колеса и приводит его во вращение с угловой скоростью ω1. При этом частицы жидкости постепенно теряют кинетическую энергию, полученную в насосном колесе, и движутся от периферии к оси вращения. Затем поток жидкости перемещается с турбинного колеса Т на реактор Р. Далее поток жидкости проходит через межлопаточное пространство неподвижного реактора и перемещается на насосное колесо. Затем рабочий процесс повторяется, т.е. жидкость циркулирует в межлопаточном пространстве колес по замкнутому контуру. Реактор Р служит для изменения крутящего момента на гидротрансформаторе, т.е. для получения на выходном валу момента М2, отличного от входного момента М1. В конструкцию гидротрансформатора включают муфту свободного хода. При положительном значении момента на реактивном колесе она обеспечивает неподвижность реактивного колеса (“стопорит”). При изменении направления момента на реакторе обгонная муфта освобождает реактор, который начинает свободно вращаться вместе с потоком жидкости. При этом гидротрансформатор начинает работать в режиме гидромуфты, так как в этом случае у него отсутствует неподвижное реактивное колесо. Такой гидротрансформатор, в котором совмещаются свойства гидротрансформатора и гидромуфты, называется комплексным гидротрансформатором. Применение гидротрансформаторов ограничивается недостаточно высокими КПД. Так, их максимальные значения составляют η = 0,8…0,93, но существенно падают при отклонении от этого режима. Особенно неприемлемо это падение в области высоких значений передаточного отношения, т.е. при i → 1. 3.2. Общие сведения об объемных гидроприводах Объемный гидропривод(ГОСТ 17752-81) – это гидропривод, в котором используются объемные гидромашины. Принцип действияобъемного гидропривода основан на практической несжимаемости рабочей жидкости и на свойстве жидкости передавать давление по всем направлениям в соответствии с законом Паскаля. По виду источника энергии жидкости объемные гидроприводы делятся на три типа. Насосный гидропривод: источником энергии жидкости является объемный насос, входящий в состав гидропривода. При анализе работы такого гидропривода в это понятие также включают и приводящий насос двигатель. По характеру циркуляции рабочей жидкости насосные гидроприводы разделяют на гидроприводы с разомкнутой циркуляцией жидкости (жидкость от гидродвигателя поступает в гидробак, откуда всасывается насосом) и гидроприводы с замкнутой циркуляцией жидкости (жидкость от гидродвигателя поступает сразу во всасывающую гидролинию насоса). Аккумуляторный гидропривод: источником энергии жидкости является предварительно заряженный гидроаккумулятор. Такие гидроприводы используются в гидросистемах с кратковременным рабочим циклом или с ограниченным числом циклов (например, гидропривод рулей ракеты). Магистральный гидропривод: рабочая жидкость поступает в гидросистему из централизованной гидравлической магистрали с определенным располагаемым напором (энергией). Выходным звеном гидропривода считается выходное звено гидродвигателя, совершающее полезную работу. По характеру движения выходного звена различают объемные гидроприводы: • поступательного движения. В них выходное звено совершает возвратно-поступательное движение. В качестве гидродвигателя используется объемный гидродвигатель возвратно-поступательного движения (гидроцилиндр); • поворотного движения. В них выходное звено совершает ограниченное по величине возвратно-поворотное движение. В качестве гидродвигателя используется объемный гидродвигатель поворотного движения (поворотный гидромотор); • вращательного движения. В них выходное звено совершает вращательное движение. В качестве гидродвигателя используется объемный гидродвигатель вращательного движения (гидромотор). Если в гидроприводе имеется возможность изменять только направление движения выходного звена, то такой гидропривод называется нерегулируемым. Если же в гидроприводе имеется возможность изменять скорость выходного звена извне по заданному закону, как по направлению, так и по величине, то такой гидропривод называется регулируемым. На практике используют два основных способа регулирования величины скорости движения выходного звена объемного гидропривода: • дроссельное регулирование. Регулирование скорости осуществляется регулирующим гидроаппаратом за счет изменения количества рабочей жидкости, поступающей в гидродвигатель. При этом |