Научные основы проектирования

МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ

РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ

УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ

«ВОРОНЕЖСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

 

 

            Рассмотрено и утверждено                                          УТВЕРЖДАЮ

           на заседании кафедры НГОТ                                    Зав. кафедрой НГОТ

              от ____________ 20__ г.                                        ________ / С.Г. Валюхов /

                    Протокол № ___                                               _________________ 20__ г.

 

 

ФАКУЛЬТЕТ МАШИНОСТРОЕНИЯ И АЭРОКОСМИЧЕСКОЙ ТЕХНИКИ

Кафедра нефтегазового оборудования и транспортировки

Направление: 21.04.01 «Нефтегазовое дело»

Магистерская программа: «Моделирование и оптимизация рабочих

процессов в энергетических системах газонефтепроводов»

 

НАУЧНЫЕ ОСНОВЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ

ГИДРОПРИВОДОВ МАШИН ДЛЯ СТРОИТЕЛЬСТВА

И ЭКСПЛУАТАЦИИ ГАЗОНЕФТЕПРОВОДОВ

И ГАЗОНЕФТЕХРАНИЛИЩ

 

КУРС ЛЕКЦИЙ

 

 

Составитель                                            ___________________             / В.В. Бородкин /

                                                                                                                                                                         Инициалы, фамилия

 

Руководитель ОПОП                                  ___________________             С.Г. Валюхов /

                                                                                                                                                                        Инициалы, фамилия

 

Воронеж 2020

Лекция № 1.

Структура и классификация мобильных

Машин для обслуживания и проведения ремонтно-

Лекция № 2.

Лекция № 3.

Объемные гидравлические насосы

 

В объемном насосе перемещение жидкости осуществляется путем вытеснения ее из рабочих камер вытеснителями. Под вытеснителем понимается рабочий орган насоса, непосредственно совершающий работу вытеснения. Вытеснителями могут быть поршни, плунжеры, шестерни, винты, пластины и т.д.

По принципу действия, точнее, по характеру процесса вытеснения жидкости, объемные насосы разделяют на поршневые (плунжерные) и роторные.

В поршневом (плунжерном) насосе жидкость вытесняется из неподвижных камер в результате лишь возвратно-поступательного движения вытеснителей (поршней, плунжеров, диафрагм).

В роторном насосе жидкость вытесняется из перемещаемых рабочих камер в результате вращательного или вращательно-поступательного движения вытеснителей (шестерен, винтов, пластин, поршней).

По характеру движения входного звена объемные насосы разделяют на вращательные (с вращательным движением входного звена) и прямодействующие (с возвратно-поступательным движением входного звена).

К общим свойствам объемных насосов, которые обусловлены их принципом действия и отличают их от насосов лопастных, относятся следующие.

1. Цикличность рабочего процесса и связанная с ней порционность и неравномерность подачи. Подача объемного насоса осуществляется не равномерным потоком, а порциями, каждая из которых соответствует подаче одной рабочей камеры.

2. Герметичность насоса, т.е. постоянное отделение напорного трубопровода от всасывающего (лопастные насосы герметичностью не обладают, а являются проточными).

3. Самовсасывание, т.е. способность объемного насоса создавать вакуум во всасывающем трубопроводе, заполненном воздухом, достаточный для подъема жидкости во всасывающем трубопроводе до уровня расположения насоса. Высота всасывания жидкости при этом не может быть больше пре-дельно допустимой. Лопастные насосы без специальных приспособлений не являются самовсасывающими.

4. Жесткость характеристики, т.е. крутизна ее в системе координат Н (или р) по Q, что означает малую зависимость подачи насоса Q от развиваемого им давления. Идеальная подача совсем не зависит от давления насоса (характеристики лопастных насосов обычно пологие).

5. Независимость давления, создаваемого объемным насосом, от скорости движения рабочего органа насоса и скорости жидкости. В принципе при работе на несжимаемой жидкости объемный насос, обладающий идеальным уплотнением, способен создавать сколь угодно высокое давление, обусловленное нагрузкой, при сколь угодно малой скорости движения вытеснителей. Для получения высоких давлений с помощью лопастного насоса требуются большие частоты вращения колеса и большие скорости жидкости.

Шестеренные насосы

 

Самым распространенным является шестеренный насос с внешним зацеплением (см. рис. 3.3). Он обычно состоит из двух одинаковых эвольвентных зубчатых колес, находящихся в зацеплении, а также неподвижного корпуса.

 

 

Рисунок 3.3 - Шестеренный насос с внешним зацеплением

 

Шестеренный насос– это зубчатый насос с рабочими органами в виде шестерен, обеспечивающих геометрическое замыкание рабочих камер и передачу крутящего момента с ведущего вала на ведомый. Шестеренные насосы могут быть с внешним и внутренним зацеплением.

Жидкость во всасывающей полости заполняет впадины между зубьями. Затем впадины с жидкостью перемещаются по дугам окружности от полости всасывания к полости нагнетания и попадают в область зацепления. При этом каждый зуб входит в соответствующую впадину и вытесняет из неё жидкость. Таким образом, жидкость вытесняется из впадин в полость нагнетания и далее в напорный трубопровод. Следует иметь в виду, что впадина на некоторую величину больше зуба. Поэтому часть жидкости возвращается обратно в полость всасывания в запертых в зоне зацепления объемах между впадинами и головками зубьев.

Для улучшения эксплуатационных показателей шестеренных насосов их конструкции несколько усложняют. Так, для лучшего уплотнения боковых (торцевых) зазоров в насосах применяют специальные плавающие втулки, которые давлением насоса поджимаются к боковым поверхностям шестерен. Тем самым, при повышении давления автоматически повышается герметичность насоса.

Для повышения герметичности зубчатое зацепление часто выполняют с большим коэффициентом перекрытия, что позволяет значительное время находиться в контакте сразу двум парам зубьев. Однако это увеличивает замкнутые объемы в месте зацепления. Запертая жидкость в ограниченных объемах между зубьями сжимается, что приводит к скачкам давления. Для устранения отмеченных скачков в торцевых поверхностях корпуса в зоне зацепления устраивают специальные компенсационные канавки. У некоторых шестеренных насосов для снижения радиальных нагрузок устраивают разгрузочные каналы в боковых поверхностях корпусов, удаленных от полостей всасывания и нагнетания.

Шестеренные насосы выпускаются как для гидросистем с высокими давлениями (до 15…20 МПа), так и для гидросистем с более низкими давлениями (1…10 МПа). Первые применяются в гидросистемах тракторов и дорожно-строительных машин. Рекомендованные частоты вращения большинства шестеренных насосов с внешним зацеплением лежат в пределах 1000…2500 об/мин. Полные КПД этих насосов обычно составляют 0,75…0,85, а объемные КПД – 0,85…0,95.

 

 

Лекция № 4.

Пластинчатые насосы

 

Пластинчатый насос – это роторно-поступательный насос с рабочими органами (вытеснителями) в виде плоских пластин. Пластинчатые насосы могут быть однократного, двукратного и многократного действия.

На рис. 4.1представлена конструктивная схема пластинчатого насоса однократного действия.

 

Рисунок 4.1 - Схема действия пластинчатого насоса

 

В пазах вращающегося ротора, ось которого смещена относительно оси неподвижного статора на величину эксцентриситета е, установлены несколько пластин. Вращаясь вместе с ротором, эти пластины одновременно совершают возвратно - поступательные движения в пазах ротора. Рабочими камерами насоса являются объемы, ограниченные соседними пластинами, а также поверхностями ротора и статора.

При вращении ротора рабочая камера, соединенная с полостью всасывания, увеличивается в объеме и происходит её заполнение жидкостью. Затем она переносится в зону нагнетания и соединяется с напорным трубопроводом. При дальнейшем перемещении её объем уменьшается, и происходит вытеснение жидкости пластиной. Затем соответствующая пластина переносится от полости нагнетания к полости всасывания, и рабочий цикл повторяется.

На рис. 4.2 приведена конструктивная схема пластинчатого насоса двукратного действия. Внутренняя поверхность такого насоса имеет специальный профиль, что позволяет каждой пластине за один оборот вала дважды производить подачу жидкости.

 

Рисунок 4.2 - Схема пластинчатого насоса

двукратного действия

 

У пластинчатого насоса двукратного действия имеются две полости всасывания, которые объединены одним трубопроводом, и две полости нагнетания, также объединенные общим трубопроводом. На практике применяются насосы и с большей кратностью, но их конструкции сложнее, поэтому использование таких насосов ограничено.

Основной конструктивной проблемой пластинчатых насосов является уплотнение в месте контакта пластины и корпуса. В разных насосах поджатие пластины к корпусу обеспечивается различными способами. В насосах с высокими скоростями вращения это может быть получено за счет центробежных сил. В насосах, рассчитанных на большие давления, поджатие обычно достигается за счет давления, подводимого в пазы. В таких конструкциях сила поджатия пластин к корпусу пропорциональна величине создаваемого давления.

Объемные насосы могут быть регулируемыми, т.е. иметь переменный рабочий объем. Конструкция пластинчатого насоса позволяет обеспечить изменение рабочего объема насоса. Для этого достаточно сделать вал ротора подвижным, т.е. обеспечить возможность изменения эксцентриситета е за счет перемещения ротора (см. рис. 4.3).

Рисунок 4.3 - Схема пластинчатого насоса переменной

производительности

 

Такая конструкция позволяет при смещении ротора влево не только уменьшать рабочий объем, а, следовательно, и подачу насоса, но и направлять поток жидкости в обратном направлении.

Следует отметить, что пластинчатые насосы двукратного и многократного действия не могут быть регулируемыми.

Нерегулируемые пластинчатые насосы компактны, просты в производстве и достаточно надежны в эксплуатации. Поэтому они нашли достаточно широкое применение в технике. По сравнению с шестеренными насосами с внешним зацеплением пластинчатые насосы несколько тяжелее и создают меньшие давления. Их максимальные величины составляют 7…14 МПа. Рекомендуемые частоты вращения пластинчатых насосов обычно лежат в пределах 1000…1500 об/мин. Полные КПД для большинства этих насосов равны 0,6…0,85, а объемные КПД – 0,7…0,92.

 

Роторно-поршневые насосы

Роторно-поршневой насос – это роторный насос с рабочими органами (вытеснителями) в виде поршней или плунжеров. Роторно-поршневые насосы подразделяются на аксиально-поршневые, у которых возвратно-поступательное движение поршней параллельно оси вращения вала насоса, и радиально-поршневые, у которых возвратно-поступательное движение поршней происходит в радиальном направлении. Аксиально-поршневые насосы в свою очередь выполняются с наклонным диском (шайбой) и с наклонным блоком относительно оси вращения насоса.

На рис. 4.4 представлен структурный состав аксиально-поршневого насоса с наклонным диском и плунжерами в качестве вытеснителей.

Рисунок 4.4 - Структурный состав аксиально-поршневого

насоса

 

Согласно рис. 4.4 основным элементом насоса является блок 4 с плунжерами 3, который приводится во вращение валом 15 и вращается относительно корпуса насоса. Плунжеры опираются на упорный подшипник диска 2, наклоненный под углом γ относительно оси вращения.

Кроме того, важным элементом насоса является неподвижный торцевой распределитель 6 с окнами 13 и 14. Рабочими камерами насоса являются замкнутые цилиндрические объемы 5 внутри блока 4. При работе насоса плунжеры вращаются вместе с блоком и одновременно скользят вместе с подшипником по наклонному диску. За счет наклона диска и пружин внутри рабочих камер обеспечивается возвратно-поступательное движение плунжеров относительно блока. При этом рабочие камеры меняют свой объем от минимального до максимального и обратно. Для соединения рабочих камер с трубопроводами служит неподвижный распределитель с дугообразными окнами. Он устроен таким образом, что при увеличении объема рабочей камеры она соединяется с всасывающим трубопроводом через окно 14, а при уменьшении – с напорным через окно 13.

Аксиально-поршневые насосы, так же как и пластинчатые, могут быть регулируемыми, т.е. у них может быть предусмотрена возможность изменения рабочего объема в процессе работы. Это обеспечивается за счет изменения угла γ наклона диска 6 или угла γ наклона блока (у насоса с наклонным блоком). В обоих случаях это приводит к изменению хода вытеснителя и рабочего объема насоса.

Аксиально-поршневые насосы отличаются от насосов, рассмотренных ранее, большей сложностью изготовления и, как следствие, большей стоимостью. Однако они имеют существенно лучшие эксплуатационные характеристики. Из всех роторных насосов аксиально-поршневые насосы создают самые высокие давления (до 30…40 МПа). Они могут работать в широком диапазоне изменения частот вращения (в пределах 500…4000 об/мин и шире). Для большинства аксиально-поршневых насосов полные КПД составляют 0,90…0,92, а объемные КПД – 0,95…0,98. Насосы данного типа наибольшее распространение получили в машинах для строительных и дорожных работ.

В радиально-поршневых насосах вытеснителями являются поршни или (чаще) плунжеры, которые располагаются радиально, т.е. перпендикулярно оси вращения. На рис. 4.5 представлена конструктивная схема радиально-поршневого насоса однократного действия с плунжерами в качестве вытеснителей.

Рисунок 4.5 - Конструктивная схема радиально-

поршневого насоса

 

Основным элементом насоса является ротор, или блок 4 с плунжерами 5, который вращается относительно корпуса насоса 6. Ротор 4 установлен в корпусе со смещением оси на величину е, т.е. с эксцентриситетом. Полости всасывания и нагнетания роторно-поршневого насоса располагаются в центре и разделены перемычкой 2.

При работе насоса плунжеры 5 вращаются вместе с ротором 4 и одновременно скользят по корпусу 6. За счет этого действия и пружин внутри рабочих камер обеспечивается возвратно-поступательное движение плунжеров 5 относительно ротора 4. Когда рабочая камера перемещается из верхнего положения 3 в нижнее 1, её объем увеличивается. При этом перемещении она через отверстие в роторе 4 соединена с полостью всасывания, обеспечивается её заполнение рабочей жидкостью – всасывание. При обратном перемещении её рабочий объем уменьшается и происходит вытеснение жидкости в полость нагнетания.

Радиально-поршневые насосы применяются существенно реже, чем аксиально-поршневые. Их главное отличие от других роторных насосов заключается в том, что они выпускаются с большими рабочими объемами.

 

И насосных установок

 

Под характеристикой роторного насоса понимают графическую зависимость его давления от подачи. Для построения характеристики насоса, прежде всего, необходимо определить его теоретическую подачу.

Теоретическая (или идеальная) подача любого объемного насоса может быть определена при рабочем объеме W _o и частоте его вращения n по соотношению

Q = W₀ ⋅ n.                                              (4.1)

Такая подача насоса существует при нулевом давлении на выходе насоса (точка А на рис. 4.6).

Рисунок 4.6 - Характеристика насоса и насосной установки

 

Как следует из формулы (4.1), теоретическая подача не зависит от давления насоса и поэтому представляет собой прямую вертикальную линию (линия 1 на рис. 4.6).

Действительная подача насоса меньше теоретической на величину объемных потерь, т.е. потерь на утечки и перетечки жидкости из полостей с высокими давлениями. Такие утечки через зазоры существуют в любом, самом технически совершенном насосе. Из-за малой величины поперечных размеров зазоров и значительной вязкости жидкости эти утечки носят ламинарный характер, т.е. их величина пропорциональна давлению насоса. Отсюда следует, что действительная характеристика насоса представляет собой прямую линию, наклоненную в сторону снижения подачи (линия 2).

На графике (см. рис. 4.6) видно, что величина утечек растет пропорционально росту давления, а его действительная подача c ростом давления уменьшается. Отметим: чем технически совершеннее насос, тем меньше у него утечки и меньше наклон линии 2. Действительная характеристика может быть построена при известной величине объемного КПД насоса η _о.

Если известен объемный КПД η _о насоса при давлении р = р', то вычисляют подачу насоса, соответствующую этому давлению Q' = Q _н η _о и на график наносят соответствующую точку (точка В).

Соединив точки А и В прямой линией (линия 2), получим действительную характеристику объемного насоса. Таким образом, характеристика объемного насоса представляет собой наклонную прямую линию.

При такой характеристике для небольшого изменения подачи насоса требуется весьма существенное повышение давления. Однако на практике часто бывает необходимо изменять подачу в широком диапазоне без значительного повышения давления, т.е. регулировать подачу. Для этого необходимо «сломать» линию АВ в какой-то точке С, получив тем самым линию 3. Тогда на этом участке CD характеристики можно существенно изменять подачу при небольшом изменении давления. Характеристика АСD может быть получена только с помощью дополнительных устройств и поэтому будет являться характеристикой не насоса, а насосной установки. Под насосной установкой понимают насос с дополнительными устройствами, обеспечивающими его работу с необходимыми параметрами и требуемой характеристикой.

Линию 3 иногда называют регуляторной ветвью характеристики насосной установки. На практике эту ветвь получают двумя способами: с помощью переливных клапанов и с помощью регуляторов подачи.

 

 

Лекция № 5.

Гидроцилиндры

Гидравлическим цилиндромназывается объемный гидродвигатель с возвратно-поступательным движением выходного звена. Гидроцилиндры широко применяются в качестве исполнительных механизмов различных машин. По конструкции и принципу действия гидроцилиндры очень разнообразны и классифицируются в соответствии с ГОСТ 17752-81 (см. рис. 5.1).

Рисунок 5.1 - Классификация гидроцилиндров

 

По направлению действия рабочей жидкости все гидроцилиндры можно разделить на две группы: одностороннего и двухстороннего действия. На рабочий орган гидроцилиндра одностороннего действия жидкость может оказывать давление только с одной стороны. Движение поршня вправо обеспечивается за счет давления жидкости, подводимой в левую полость гидроцилиндра. Обратное перемещение в гидроцилиндрах одностороннего действия обеспечивается другим способом. Наиболее часто это достигается за счет пружины или веса груза при вертикальном движении поршня. Перемещение рабочего органа гидроцилиндра двухстороннего действия в обоих направлениях обеспечивается за счет рабочей жидкости (см. рис. 5.2). В таких гидроцилиндрах жидкость может подводиться как в левую полость (тогда поршень движется вправо), так и в правую для обеспечения движения влево.

Рисунок 5.2 - Схема гидроцилиндра двустороннего действия

 

Гидроцилиндры подразделяются также по конструкции рабочего органа. Наибольшее распространение получили цилиндры с рабочим органом в виде поршня или плунжера. Причем поршневые гидроцилиндры могут быть выполнены с односторонним (см. рис. 5.2 и 5.3) или двухсторонним штоком (см. рис. 5.4). Плунжерные гидроцилиндры (рис. 5.5) могут быть только одностороннего действия, с односторонним штоком.

Рисунок 5.3 - Поршневой гидроцилиндр двустороннего действия

Рисунок 5.4 - Схема гидроцилиндра двустороннего

действия с двусторонним штоком

 

Рисунок 5.5 - Схема плунжерного гидроцилиндра

 

По характеру хода выходного звена гидроцилиндры делятся на одноступенчатые и телескопические (многоступенчатые). Телескопические гидроцилиндры представляют собой несколько вставленных друг в друга поршней (рис. 5.6). В таком гидроцилиндре поршни выдвигаются последовательно друг за другом. Телескопические гидроцилиндры применяются для получения больших перемещений.

Полный КПД гидроцилиндров определяется в первую очередь величиной механического КПД, который для большинства конструкций составляет η_м = 0,85…0,95. Гидравлические потери в цилиндрах практически отсутствуют и гидравлический КПД равен единице (η_г = 1). Объемные потери в рассматриваемых устройствах могут иметь место в зазоре между поршнем и цилиндром. Однако при уплотнении этого места резиновыми кольцами или манжетами (см. рис. 5.7) они очень малы. Тогда объемный КПД также можно считать равным единице (η_о = 1).

Рисунок 5.6 - Схема телескопического гидроцилиндра

 

Рисунок 5.7 - Виды уплотнений в гидроцилиндрах

 

При расчете гидроцилиндров используются две основные формулы. Первая из них связывает силу F на штоке и перепад давлений на гидроцилиндре. Вторая формула связывает расход и скорость поршня.

Для обозначения гидроцилиндров на гидравлических схемах (см. рис. 5.5) используются их предельно упрощенные конструктивные изображения.

 

Гидромоторы

 

Гидромотором называется объемный гидравлический двигатель с вращательным движением выходного звена. Классификация гидромоторов приведена на рис. 5.8.

Рисунок 5.8 - Классификация гидромоторов

 

Наибольшее распространение получили роторные гидромоторы. Их конструкции ничем принципиально не отличаются от конструкций одноименных роторных насосов. Некоторые конструктивные отличия обычно вызваны обратным направлением потока мощности через гидромотор (по сравнению с насосом). Применительно к гидромоторам необходимо учитывать, что мощность к гидродвигателю подводится с потоком жидкости. В гидромоторе она преобразуется во вращательное движение, а затем реализуется в виде крутящего момента на его выходном валу.

Широкое распространение получили шестеренные (рис. 5.9), пластинчатые и роторно-поршневые (рис. 5.10 и 5.11) гидромоторы. Наиболее широко используются роторно-поршневые гидромоторы. При этом аксиально-поршневые применяются в случае необходимости получения на выходе высоких скоростей вращения, а радиально-поршневые гидромоторы – для получения низких скоростей вращения (в частности, используются в мотор-колесах самоходных машин).

Основной характеристикой геометрических размеров роторных гидромоторов, как и роторных насосов, является их рабочий объем W_o. Эта величина имеет тот же физический смысл и определяется так же, как и у насосов. Следует отметить, что гидромоторы и аналогичные им насосы могут быть с переменным рабочим объемом, т.е. регулируемыми.

 

Рисунок 5.9 - Шестеренный гидромотор

 

Рисунок 5.10 - Радиально-поршневой гидромотор

Рисунок 5.11 - Аксиально-поршневой гидромотор

 

Полные КПД роторных гидромоторов определяются произведением объемного и механического КПД. Гидравлические потери в этих гидромоторах малы, поэтому их гидравлические КПД принимают равными единице
(η_г = 1). Численные значения объемных η_о и механических η_м КПД роторных гидромашин практически не отличаются от аналогичных величин для однотипных насосов.

При расчете гидромоторов используются две основные формулы. Они несколько отличаются от аналогичных формул для роторных насосов из-за противоположного направления потока мощности. Первая из этих формул связывает момент на валу гидромотора с перепадом давлений в напорном и сливном трубопроводах. Вторая формула связывает расход Q через гидромотор с частотой вращения его вала n.

Для обозначения гидромоторов на принципиальных гидравлических схемах используется та же система символов, что для обозначения роторных насосов. Но в отличие от насосов у гидромоторов стрелки (треугольники) внутри окружностей, указывающие направление движения жидкости, всегда направлены внутрь окружности. Символ регулируемых гидромоторов также перечеркивается тонкой стрелкой.

В заключение следует отметить, что выпускаются роторные гидромашины, которые могут работать как в режиме насоса, так и в режиме гидромотора. Такие гидромашины принято называть насос-моторами.

 

Поворотные гидродвигатели

 

Поворотные гидродвигатели сообщают выходному звену ограниченное вращательное движение. На рис. 5.12 изображены конструктивные схемы поворотных шиберных (лопастных) гидродвигателей (однопластинчатого двухкамерного, двухлопастного четырехкамерного и трехлопастного шестикамерного). При четырехкамерном гидродвигателе развиваемый момент увеличивается, а угловая скорость уменьшается в 2 - раза. Так как применение многокамерных систем сокращает возможный угол поворота ротора, число камер более четырех применяют редко.

 

Рисунок 5.12 - Поворотные шиберные гидродвигатели

 

В конструкции таких гидродвигателей много общего с пластинчатыми гидромашинами. Трение и утечки по торцам являются главными потерями энергии. Для сокращения и устранения внутренних утечек по торцам ротора и пластин применяют подгонку боковых крышек с малыми зазорами, поджим одной из крышек с гидростатической разгрузкой или радиальные упругие уплотнения из резины или полимерных материалов.

На рис. 5.13 представлена конструкция поршневого поворотного гидродвигателя. Он представляет собой гидроцилиндр 5, шток 3, выступающая часть которого выполнена как зубчатая рейка, движущаяся во втулке. С рейкой-штоком сцеплена шестерня 2, жестко соединенная с выходным валом гидромотора (ось 1 вала располагается перпендикулярно плоскости чертежа). Шток совершает возвратно-поступательные движения, а выходной вал - возвратно-поворотные.

 

Рисунок 5.13 - Поворотный гидродвигатель поршневого типа

Лекция № 6.

Гидродроссели

 

Гидродроссель – это регулирующий гидроаппарат, предназначенный для получения заданной величины расхода при данной величине перепада давления в подводимом и отводимом потоках рабочей жидкости.

Гидродроссель представляет собой местное гидравлическое сопротивление, которое также может использоваться для снижения давления в отводимом потоке рабочей жидкости при данном расходе.

Важной особенностью гидродросселя является то, что проходное сечение в нем не изменяется под действием потока рабочей жидкости.

Применение гидродросселей в качестве регулирующих элементов объемных гидроприводов требует от них двух качеств:

- возможность получения характеристики гидродросселя желаемого вида;

- сохранение стабильности характеристики гидродросселя во время эксплуатации.

Под характеристикой гидродросселяпонимается зависимость потерь давления Δp _др в гидродросселе (перепада давления на гидродросселе) от расхода Q рабочей жидкости, проходящей через него.

По виду этой зависимости различают гидродроссели:

- линейные– имеют линейную характеристику

Δ p _др = KQ;                                          (6.1)

- квадратичные– имеют квадратичную характеристику

Δ p _др = KQ.                                           (6.2)

Линейность характеристики линейного гидродросселя на практике обеспечивается за счет наличия в его конструкции протяженного канала малого проходного сечения, внутри которого получают ламинарный режим течения жидкости (см. закон Пуазейля).

На рис. 6.1 приведена конструктивная схема линейного регулируемого гидродросселя, в котором дросселирующим каналом является винтовая линия прямоугольного сечения, нарезанная на поверхности цилиндрического плунжера 1, образующего прецизионную пару с поверхностью гильзы 2. Регулирование гидродросселя осуществляется изменением рабочей длины l к дросселирующего канала за счет вращения винтовой головки 3.

Основным недостатком линейных гидродросселей является нестабильность их характеристики, а именно: зависимость крутизны их характеристики от температуры рабочей жидкости (от ее вязкости). Из-за этой температурной нестабильности характеристики линейные гидродроссели в системах автоматического управления объемными гидроприводами (системах гидроавтоматики) практически не встречаются.

Квадратичные гидродроссели в отличие от линейных имеют стабильную характеристику, не зависящую от температуры жидкости. В связи с этим квадратичные гидродроссели получили наибольшее распространение в гидроприводах и системах гидроавтоматики.

 

 

Рисунок 6.1 - Типовые конструктивные схемы

гидравлических дросселей

 

Простейшим квадратичным нерегулируемым (настраиваемым) гидродросселемявляется жиклер, представляющий собой отверстие в тонкой стенке, из которого происходит истечение жидкости под уровень.

Расчетной формулой для такого гидродросселя является формула истечения

,                                     (6.3)

из которой получаем выражение, определяющее его характеристику:

,                                      (6.4)

где μ – коэффициент расхода, для минеральных масел в области квадратичного сопротивления его можно принимать равным μ = 0,65;

S_o – площадь проходного сечения отверстия в гидродросселе.

Недостатком этого гидродросселя является то, что для получения на нем достаточно большого перепада давления для относительно малых по величине значений расхода в гидродросселе следует иметь отверстие очень малой площади. При этом даже если удастся изготовить такое отверстие, то во время эксплуатации высока вероятность его засорения. Как следствие – изменение характеристики гидродросселя, т.е. надежность работы такого гидродросселя будет низкой. Поэтому на практике при решении подобной задачи рекомендуется использовать пакетные гидродроссели(рис. 6.1).

Такой гидродроссель состоит из набора шайб. При проектировании пакетного гидродросселя необходимо предусмотреть взаимную фиксацию шайб с целью получения максимального разведения отверстий в соседних шайбах.

Регулируемымназывается гидродроссель, в котором площадь его проходного сечения можно изменять путем воздействия на его запорно-регулирующий элемент из вне.

К регулируемым относятся крановые, золотниковые, клапанные (игольчатые) гидродроссели, гидродроссель типа «сопло-заслонка» и др.

У кранового гидродросселя(см. рис. 6.1) недостатком является увеличение необходимого момента управления пробкой при значительном рабочем давлении питания. Поэтому крановые гидродроссели рекомендуется использовать в низконапорных гидросистемах.

У золотникового гидродросселязапорно-регулирующий элемент (золотник) совершает осевое перемещение в корпусе, изменяя при этом площадь проходного сечения гидродросселя за счет изменения величины кольцевого зазора между торцем золотника и проточкой в корпусе. Недостатком золотникового гидродросселя является зависимость усилия управления запорно-регулирующим элементом от рабочего давления питания.

В клапанномили игольчатом гидродросселе(рис. 6.1) изменение площади проходного сечения происходит за счет перемещения запорно-регулирующего элемента относительно седла, приближаясь или удаляясь от него. Недостатком этого гидродросселя является зависимость усилия, необходимого для управления его запорно-регулирующим элементом, от рабочего давления питания.

В гидродросселе типа «сопло-заслонка»запорно-регулирующий элемент (плоская заслонка) перемещается вдоль оси сопла, приближаясь или отдаляясь от него. Следствием этого является изменение расстояния заслонки от торца сопла, а значит, изменение сопротивления потоку жидкости, вытекающему из сопла. В этом гидродросселе усилие, необходимое для управления заслонкой, пропорционально величине потерь давления на гидродросселе. Эта особенность может использоваться при проектировании систем автоматического управления объемным гидроприводом.

Для увеличения расхода рабочей жидкости, протекающей через дроссель в обратном направлении, в нем иногда предусматривают установку обратного клапана (рис. 6.2).

 

Регулирующие гидроклапаны

 

Гидроклапан – это гидроаппарат, в котором величина открытия рабочего проходного сечения (положение запорно-регулирующего элемента) изменяется от воздействия потока рабочей жидкости, проходящего через гидроаппарат.

Существуют как регулирующие, так и направляющиегидроклапаны.

К регулирующим гидроклапанамотносятся гидроклапаны давления, а именно: гидроклапаны напорные и редукционные, а также гидроклапаны разностии соотношения давлений.

Рисунок 6.2 - Регулируемый дроссель с обратным клапаном

 

Гидроклапаном давленияназывается регулирующий гидроклапан, предназначенный для регулирования давления в потоке рабочей жидкости.

По характеру воздействия потока рабочей жидкости на запорно-регулирующий элемент клапана различают гидроклапаны давления прямогои непрямого действия.

В гидроклапанах прямого действияпроходное сечение изменяется в результате непосредственного воздействия контролируемого потока рабочей жидкости на запорно-регулирующий элемент клапана.

Гидроклапаны непрямого действияпредставляют собой совокупность, как правило, двух клапанов: основного и вспомогательного, причем величина открытия рабочего проходного сечения основного клапана изменяется в результате воздействия потока рабочей жидкости на запорно-регулирующий элемент вспомогательного клапана