Работа 3. Испытания нерегулируемого объёмного насоса

Объёмным насосом называется насос, в котором жидкость пе­ремещается путём периодического изменения объёма занимаемой ею камеры, попеременно сообщающейся со входом и с выходом на­соса.

Объёмные насосы: возвратно-поступательные и роторные.

Возвратно-поступательные насосы – объемные насосы с прямо­линейным возвратно-поступательным движением рабочих органов независимо от характера движения ведущего звена насоса. Рабо­чими органами могут быть поршень, плунжер, диафрагма, а насо­сы соответственно – поршневые, плунжерные и диафрагменные. Эти насосы широко применяют для перемещения (пере­качки) различных жидкостей. Среди них поршневые насосы – наиболее простые.

Роторные насосы – объёмные насосы с вращательным или вращательным и возвратно-поступательным движением рабочих орга­нов независимо от характера движения ведущего звена насоса. Это: аксиально-поршневые, радиально-поршневые, пла­стинчатые, шестерённые, винтовые. Роторные насосы применяют в объёмных гидроприводах. Объёмные насосы могут развивать давление до 250 МПа. Они бывают: нерегулируемыме (постоянная подача) и регулируемые (изменяющаяся подача). Ниже будут рассмотрены нерегулируемые насосы.

Поршневые насосы – объёмные насосы, у которых вытеснение жидкости из неподвижных рабочих камер производится в резуль­тате прямолинейного возвратно-поступательного движения поршня.

Роторные аксиально-поршневые насосы – насосы, у которых оси поршней или плунжеров параллельны оси вращения ротора (бло­ка) цилиндров или составляют с ней угол < 45º. Такие насосы – наиболее распространённые в гидроприводах. Они способны обеспечить высокую подачу при большом давлении и вы­сокий КПД, высокую частоту вращения рабочего органа и точность регулирования подачи при малых габаритах, весе и малой инер­ционности. Насосы развивают давление до 32 МПа, реже до 55 МПа. При оптимальном режиме объёмный КПД составляет 0,97…0,98, а КПД насоса – до 0,95. Эти насосы могут иметь до 7…9 цилиндров диаметром 10…50 мм при угле наклона блока цилиндров или диска 20…30".

а)

б)

в)

Рис. 7. Схемы аксиально-поршневых насосов:

а) с наклонным блоком цилиндров; б), в) с наклонным диском.

Существует большое количество конструкций аксиально-пор­шневых насосов, однако их можно разделить на две группы, отличающиеся схемой связи блока цилиндров с приводом (рис. 7 а, б, в): с наклоном блоком цилиндров (а) и с наклонным диском (б, в).

Для обеспечения подачи насоса необходимо возвратно-поступа­тельное движение поршней, кото­рое возможно при наличии угла наклона блока цилиндров или диска. У нерегулируемых насосов этот угол постоянный.

На рис. 8 показана конструкция бес­карданного нерегулируемого ак­сиально-поршневого насоса с нак­лонным блоком цилиндров (типа 210).

Рис. 8. Нерегулируемый бескарданный насос типа 210.

Вал 1 вращается в шарикоподшипниках 2 и заканчивается диском 4. Вращение блока цилиндров 5 и перемещение поршней 9 в цилиндрах происходит с помощью штоков 10. Конец каждого штока одной сферической головкой закреплён в диске 4, а второй – в поршне. Блок цилиндров имеет семь поршней и вращается на центральном шипе 6, который опирается с одной стороны сфери­ческой головкой на диск, а с другой – на втулку сферического распределителя.

Смазка деталей блока цилиндров осуществляется из рабочих камер по сверлениям в днищах поршней, штоков и сферического распределителя 7. Распределитель 7 крепится неподвижно к внутренней поверх­ности крыши 8. Два серпообразных выреза распределителя совме­щены с отверстиями крышки, и через них – со всасывающей и напор­ной гидролиниями.

Роторные радиально-поршневые насосы – насосы, у которых оси поршней или плунжеров перпендикулярны оси вращения ротора или составляют с ней углы > 45º.

Насосы имеют звездообразное расположение цилиндров. В одном ряду может располагаться от 5 до 13 цилиндров, а количе­ство рядов может достигать 6. Такие насосы могут обеспечить дав­ление до 100 МПа. Они имеют большой срок службы, но более громоздки, чем остальные насосы и имеют более высокие момен­ты инерции, менее приёмисты и более тихоходные.

Принципиальная схема радиально-поршневого насоса одно­кратного действия приведена на рис. 9.

Рис. 9. Схема радиально-поршневого насоса.

Он состоит из статора 6, ротора 2, плунжеров 4, распределителя 3. При вращении ротора плунжеры сферическими головками соприкасаются с внутренней поверхностью статора и совершают возвратно-поступательное дви­жение относительно цилиндров. Последние своими каналами сое­диняются со всасывающим каналом 5, когда плунжеры отходят от распределителя 3, и с напорным каналом 1, когда плунжеры вы­тесняют жидкость из цилиндров.

Наличие эксцентриситета е определяет величину хода плун­жера, а следовательно, и подачу насоса. У нерегулируемых насо­сов е = const.

Пластинчатые насосы. Эти насосы просты по конструкции и имеют малые габариты и вес, развивают давление до 17 МПа.

Схема пластинчатого насоса однократного действия показана на рис. 10. Насос состоит из ротора 2, ось вращения которого смещена относительно оси статора 3 на величину эксцентриситета е. В пазах ротора установлены (радиально или под углом к ра­диусу) от 6 до 12 пластин 1, ко­торые прижаты к внутрен­ней поверхности статора давле­нием, пружинами или центробежными силами.

Рис. 10. Схема пластинчатого насоса однократного действия.

При вращении ротора пластины совершают, кроме вращательного, и возвратно-поступа­тельное движение в пазах ротора, образуя замкнутые объёмы – камеры, которые непре­рывно меняют свою величину. При увели­чении объёма происходит всасывание, при уменьшении – нагнетание. В насосах за один оборот ротора два раза происходит всасывание, нагнетание жидкости. Насосы двукратного действия – нерегулируемые.

Шестерённые насосы. Они бывают низкого и высокого давления.

Насосы низкого давления применяются в системах смазки или системах подпитки гидроприводов, насосы высокого давления – в гидроприводах.

Шестерённые насосы состоят из 2‑х одинаковых цилиндри­ческих шестерён, совершающих вращательное движение (рис. 11).

Рис. 11. Схема шестерённого насоса.

При вращении шестерён в противоположные стороны зубья выхо­дят из зацепления и объём впадин шестерён заполняется жидкостью и переносится на сторону нагнетания, где и вытесняется при входе зубьев в зацепление. Шестерённые насосы малого давления (0,4…0,6 МПа) применяются в системах смазки различных машин, а с давлением 7…16 МПа – в гидроприводах. Широкое распростра­нение получили насосы типа НШ. Они развивают номинальное давление 10…16 МПа и максимальное – до 25 МПа, объемный КПД их – 0,92, а КПД насоса – до 0,85.

Винтовые насосы. Они отличаются высокой надёжностью, компактностью, бесшумностью в работе и равномерной подачей жидкости. Они выпускаются в 2‑х и 3‑винтовом исполнении. 3‑винто­вой насос (рис. 12) состоит из 3‑х винтовых роторов, средний из них, (диаметром D _н) – ведущим, а 2 боковых (диаметром d _н) – уплотнители ведущего винта. Вращение винтов смыкает их нарезки и отсекает во впадинах некоторые объёмы жидкости и перемещает их вдоль оси вращения.

Рис. 12. 3‑х-винтовой насос.

Насосы развивают давление до 20 МПа и имеют КПД 0,8…0,85.

Винтовые насосы – нерегулируемые. Они применяются в гидропри­водах, маслосистемах турбин и для подачи вязких жидкостей.

Основные технические показатели объёмного насоса: подача, рабочий объём, давление, мощность и КПД. Все они, кроме рабочего объёма, были рассмотрены ранее (см. работу 1), поэтому на них в данной работе останавливаться не будем.

Рабочий объём насоса q _н – разность наибольшего и наимень­шего замкнутых объёмов за оборот или 2‑ной ход ра­бочего органа насоса. Он связан с идеальной подачей зависимостью:

(26)

где Q _т и n _н – идеальная подача и частота вращения.

Характеристики нерегулируемых объемных насосов.

Характеристи­ка объёмного насоса – графические зависимости подачи Q, мощ­ности N и КПД h от давления р при постоянной частоте вращения и плотности жидкости на входе в насос, т.е. Q = f (р), N = f (p), h = f (p). Объёмные насосы различных типов имеют ана­логичные характеристики (рис. 13).

1. Напорная характеристика нерегулируемого насоса: Q = f (p). Идеальная подача Q _т не зависит от давления, поскольку Q _т = q _н n _н. Очевидно, Q _т = f (р) при n _н = const изобразится пря­мой, параллельной оси р (см. прямую 1 на рис. 13).

Рис. 13. Характеристика нерегулируемого объемного насоса.

Напорная характеристика для реальной подачи Q = f (P) при n _н = const (прямая 2 на рис. 13) несколько отклонится вниз от прямой 1. Отклонение связано с наличием утечек жидко­сти D Q в насосе через зазоры из области нагнетания в область вса­сывания. Утечки жидкости прямо пропорциональны давлению и об­ратно пропорциональны вязкости. Если вязкость m₂ < m₁, то утечки будут больше и прямая 3 на рис. 13 пройдёт ниже прямой 2, а если m₂ > m₁ – то выше.

2. Напорная характеристика нерегулируемого насоса с пере­ливным клапаном (рис. 2.14 6).

Чтобы обезопасить насос 2 и гидросеть 3 от чрезмер­но высокого давления при уменьшении подачи до Q _c, параллель­но насосу 2 ставят переливной (перепускной) клапан. Он от­крывается под действием повышенного давления и пропускает часть подачи насоса Q _КЛ через клапан в бак. Наличие клапана изменяет (ломает) характеристику насоса в точке 2. Прямая 2 ‑ 3 отклоня­ется от вертикали. Величина участка 3 ‑ 4 составляет 10…15% от давления настройки клапана р _НК и зависит от характеристики кла­пана.

n = const, q = const

а) б)

 

 

 

Рис. 14. Схема насоса с переливным клапаном (а) и напорная характеристика (б).

На участке 2-3 подача жидкости в гидросеть равна:

(27)

Находят применение и универсальные или топографические характеристики. На них изображаются напор­ные характеристики для различных частот вращения n _Н и кривые равных КПД и мощностей. Эти характеристики получа­ют при испытаниях насоса на специальных установках.

 

Рис. 15. Установка для испытания нерегулируемого насоса.

 

Цель работы:

1. Усвоить принцип действия и изучить работу насос­ной установки с объёмным нерегулируемым насосом.

2. Освоить методику испытаний нерегулируемого объёмного насоса.

3. Получить характеристику нерегулируемого объёмного насоса.

Описание установки.

Установка с открытой системой циркуляции жидкости (рис. 15) включает: объемный насос 1, балансирный электродвигатель 14, бак 8, всасывающий 6 и нагнетатель­ный 3 трубопроводы, дроссель 15, теплообменник 9, фильтр 10, пре­дохранительный клапан 2 и контрольно-измерительную аппарату­ру, служащую для замера: подачи (расходомер 11), давления (ма­нометр 4 и вакуумметр 5), мощности насоса (балансирный элек­тродвигатель 14 с весами и рычагом 13 и тахометром 12), темпе­ратуры рабочей жидкости (термометр 7). При работе установки рабочая жидкость по всасывающему трубопроводу 6 поступает в насос, затем по напорному трубопроводу 3 через регулируемый дроссель 15 (если он открыт) к расходомеру 11, фильтру 10 и теплообменнику 9 в бак 8. В случае, если дроссель закрыт или открыт частично, давление за насосом повышается и, если станет больше давления настройки клапана р _НК, предохранительный клапан 2 откроется и будет пропускать через себя в бак всю жидкость или часть её.

Порядок выполнения работы и обработка опытных данных:

1. Включить установку и добиться требуемого температурного режима.

2. Изменяя положение дросселя 15, обеспечить давление на выходе из насоса: минимально возможное (0), 0,25; 0,5; 0,75; 1,0 и 1,05 номинального давления.

3. При каждом режиме работы снять показания: манометра р _м, вакуумметра р _в, расходомера Q _on, тахометра n _оп, весов F, термометра t ºC и записать их в табл. 6.

4. Выключить установку.

5. Вычислить технические параметры работы насоса и результаты записать в табл. 6.

Давление насоса

(28)

При Z_м<2_м допускается принимать

(29)

Подача насоса Q _оп определяется расходомером или объёмным способом, в последнем случае необходимо знать время наполнения измеряемого объёма в мерном баке. Идеальная подача Q _т находит­ся по графику Q _т = f (р) на продолжении кривой при значении дав­ления р = 0.

Мощность насоса N _оп

(30)

где L ‑ плечо балансирного электродвигателя, м;

F ‑ усилие на весах, Н;

F ₀ ‑ начальное усилие на весах (определить при отключённом насосе), H.

Полезная мощность N _non

(31)

КПД насоса h_н

(32)

Объемный КПД h₀

(33)

Механический (гидромеханический) КПД* h_м

(34)

Таблица 6.

Измеряемые параметры

Рассчитываемые параметры

р м, Па

Р н, Па

Q on, л/с

n on, об/мин

F, Н

t, ºC

P on, МПа

N on, кВт

Nn on, кВт

N, кВт

Q, л/с

hн

h0

hм

Разделить гидравлические и механические потери в объёмных гидромаши­нах трудно. Их определяют совместно и оценивают одним гид­ромеханическим КПД, который для краткости часто называют мexaничecким h_м = h_м¢× h_г. Для объёмных гидромашин h_{н =} h_м × h₀. В каталогах для объёмных насосов приводятся значения h_н и h₀, а величину h_м получают вычислением.

Характеристику насоса, т.е. графические зависимости Q = f (p), N = f (p), h_н = f (р), следует построить по приведённым к номинальной частоте вращения n _н значениям, подачи, мощности и значению КПД, вычисленному по формуле (2.32).

(35)

Дополнительно следует построить графики h₀ = f (p) и h_m = f (p).

Основные контрольные вопросы

1. Что называют объёмным насосом, какие бывают объём­ные насосы?

2. Изложите основные сведения о роторных аксиально-поршне­вых насосах.

3. Какие насосы называются роторными радиально-поршне­выми? Изложите о них основные сведения.

4. Приведите основные сведения о пластинчатых и шестерённых насосах.

5. Назовите, поясните основные технические показатели объёмных насосов.

6. Что называют характеристикой объёмного насоса? Изобра­зите характеристику этого насоса.

7. Что называют напорной характеристикой объёмного нере­гулируемого насоса? Каково её графическое изображение?

8. Изобразите напорную характеристику нерегулируемого насоса с переливным клапаном.

9. Что такое КПД насоса и как его определить при испытаниях?

 

 

Библиографический список к работе 3:

8. Богомолов А.И., Михайлов К.А. Гидравлика: Учебник для гидротехнических специальностей вузов. -М.: Стройиздат, 1972. -648 с.;

9. Кисилёв П.Г. Гидравлика. Основы механики жидкости: Учебное пособие для студентов гидротехнических специальностей вузов. -М.: Энергия, 1980. -360 с.;

16. Данилов Ю.А., Кирилловский Ю.А., Колпаков Ю.Г. Аппаратура объёмных гидроприводов. -М.: Машиностроение, 1990. -272с.