Поворотні гідромашини (гідродвигуни).

Для зворотно-поворотних рухів робочих органів машинна кут, менший 360°, крім усіляких механізмів з хитними гідроциліндрами і кривошипно-ползунними гідравлічними механізмами, часто використовуються поворотні гідродвигуни (моментні гідроциліндри чи гідроциліндри поворотної дії) зі зворотно-поворотним щодо корпуса обмеженим рухом вихідної ланки. Поворотний гідродвигун визначається в загальному випадку як об'ємний гідродвигун з обмеженим кутом повороту вихідної ланки.                                       

Застосування в гідроприводах поворотних гідродвигунів спрощує кінематику передавальних ланок машин і механізмів у порівнянні з гідроприводами, в яких для цих же цілей застосовуються гідроциліндри. Це пояснюється тим, що вал поворотного гідродвигуна може бути безпосередньо з'єднаний з валом приводної машини без будь-яких проміжних кінематичних ланок, що знижують точність кутів повороту машини.

За видом робочих органів поворотні гідродвигуни бувають шиберні, поршневі й мембранні.

Шиберним поворотним гідродвигуном (рис. 3.10) називається гідродвигун з робочими ланками у вигляді шиберів.

На практиці поширені шиберні поворотні гідродвигуни, в яких робочий орган - пластина чи кілька пластин - жорстко з'єднаний з валом двигуна.

На рис. 3.10, а показана конструкція лопатевого механізму, в якого робочий циліндр розділяється перегородкою 1 і лопаттю 2 на дві камери. Перегородка, для ущільнення, притискається до вала пластинчастою пружиною 3 або гідравлічним способом. Основні параметри поворотних гідродвигунів - це номінальний тиск p _ном, номінальна витрата Q _ном, крутильний момент M _кр, кутова швидкість ω і кут повороту вала гідродвигуна, град. °.

 

 

Розрахункова величина крутильного моменту M _кр на валу шиберного гідродвигуна з однією пластиною

M _кр =(р_р-р_зл) FR,              (3.36)

де р _p, p _зл - відповідно робочий тиск і тиск зливу, р_р-р_зл= Δр; F - площа пластини, F =(D - d)/2 b; R - плече прикладання сили, R =(D + d)/4; b - ширина пластини, м,

тоді              M _кр = .                (3.37)

Кутова швидкість ω  вала визначається з умови рівності витрати рідини Q й обсягу, описуваного пластиною в одиницю часу,

Q = V _ок F,                       (3.38)

де V _ок = ω R, ω=8 Q (D ² - d ²) b

При наявності двох і більше пластин (рис. 3.10) крутильний момент відповідно збільшується, а кутова швидкість зменшується:

M _кр = ;          (3.39)

ω= ,                 (3.40)

де Z - число пластин.                                       

Кути повороту ротора при одній, двох і трьох пластинах відповідно дорівнюють 280, 140 і 70°.

Поршневим поворотним двигунам називається гідродвигун з робочими ланками у вигляді поршнів.

На рис. 3.11, а показаний двопоршневий поворотний гідродвигун з рейковим перетворювачем, використовуваний на екскаваторах сільськогосподарського призначення, у гірських і металургійнихмашинах і т. ін.

 

Недолік цього гідродвигуна - у наявності зазору в зчепленні, що сприяє появі ударів при зміні знака навантаження. Трохи позбавлені цього недоліку чотирипоршневі поворотні гідродвигуни з двома рейково-зубчастими передачами (рис. 3.11, б). Основні конструктивні елементи такого двигуна - це корпус 1 і поршні 2, 4, 5 і 10, встановлені в циліндричних розточеннях корпуса. Поршні попарно жорстко з'єднані зубчастими рейками 3 і 6, що входять у зчеплення із зубчастим колесом 7. Вихідна ланка гідродвигуна - вал 9. Для вибору зазору й запобігання повороту рейки навколо поздовжньої осі передбачені два упори 8. Гідродвигун має чотири робочі камери, що при роботі гідродвигуна з'єднуються попарно: А й В, Б і Г.

Принцип роботи гідродвигуна полягає в наступному. При підведенні рідини під тиском, наприклад, у робочі камери А й В, поршні 2 і 5 переміщаються в різні сторони. Разом з поршнями переміщаються й рейки, що повертають зубчасте колесо 7 з валом 9 за годинниковою стрілкою. Одночасно при цьому робоча рідина поршнями 4 і 10 витискається з камер Б і Г у зливальну лінію гідросистеми. Якщо змінити напрямок потоку робочої рідини і підвести її під тиском у камери Б і Г, то вал гідродвигуна повернеться проти годинникової стрілки.

Розрахунковий крутильний момент М_кр і кутову швидкість на вихідній ланці (валу) гідродвигуна визначають за формулами

М_кр= .                 (3.4.)

,                 (3.42)

де d — діаметр поршня; D _к — діаметр ділильного кола зубчастого колеса; Z — число поршнів, що працюють одночасно.

Мембранним поворотним гідродвигуном (рис. 3.12)називається гідродвигун з робочими ланками у вигляді мембран.

Принцип роботи гідродвигуна полягає в наступному.

 

 

 

При підведенні робочої рідини під тиском, наприклад, у робочу камеру Б повзун 2 під дією сили тиску переміститься вниз, при цьому вільний кінець коромисла 3 зробить поворот за годинниковою стрілкою. Одночасно об'єм робочої камери А зменшується, і робоча рідина витискається в зливальну магістраль. Якщо змінити напрямок потоку робочої рідини і підвести її під тиском у камеру А, то коромисло повернеться проти годинникової стрілки. Кут повороту коромисла розглянутих гідродвигунів не перевищує 20° від нульового (середнього) положення.

Роторні гідромашини.

Під роторними ГМ розуміють об'ємні насоси і гідромотори, в яких рухливі робочі елементи, що утворюють робочі камери, роблять обертальний рух чи обертальний у сполученні зі зворотно-поступальним рухом. Роторні ГМ знайшли широке застосування в гідроприводах, тому що мають малу питому масу й об'єм, який приходиться на одиницю потужності, високий ККД, можливість регулювання й реверса подачі. Вони швидкохідні (п = 1500...5000 хв^-1), не мають клапанів і, як правило, обертові, тобто можуть працювати як у режимі насоса, так і в режимі гідромотора. Робоча рідина – мінеральні масла. За характером руху робочих органів роторні ГМ поділяють на роторно-поступальні й роторно-обертальні.

Роторно-поступальні ГМ бувають двох типів: роторно-поршневі й роторно-пластинчасті.

Роторно-поршневі ГМ розрізняють за напрямком руху поршня: аксіальні з похилим циліндровим блоком чи з похилим диском; радіальні - роторно-плунжерні.

Аксіальні роторно-поршневі (плунжерні) ГМ з похилим нерухомим чи поворотним диском знайшли широке застосування на мобільних сільськогосподарських машинах. На рис. 3.13, а наведений аксіальний роторно-поршневий (плунжерний) регульований насос з похилим диском, а на рис. 3.13, б - його умовне графічне зображення.

 

Блок циліндрів 3 установлений на валу 4 і підтиснутий пружинами 2 і 11 до розподільчого диска 1. У циліндрах блоку розміщені поршні 5, що через башмаки 7 спираються на опорне кільце 9 похилого диска 10. Башмаки у свою чергу притиснуті до опорного кільця 9 пружинами 2 і 11 через втулку 6 зі сферичною зовнішньою поверхнею і сепаратор 8. Поворот похилого диска 10 на кут β здійснюється через тягу 12 переміщенням поршня 13 механізму керування. При підведенні рідини в порожнини А і Б циліндра механізм керування змінює кут нахилу шайби (похилого диска) у межах кута ± β (рис.3.13). З кінематичної схеми (рис. 3.14) видно принцип роботи роторно-поршневої гідромашини з похилим поворотним диском.

При обертанні вала 3 плунжери 1 роблять зворотно-поступальний рух у циліндрах ротора. При цьому гідромашина працює в режимі насоса: плунжер 1 рухається вправо, відбувається усмоктування р_ус рідини в порожнину циліндра, а коли він рухається вліво, то рідина виштовхується з нього - р _наг.

 

Величина ходу l плунжера 1 залежить від кута нахилу β опорного поворотного диска 4. Коли поверхня похилого диска 4 перпендикулярна осі вала 3 (β=0), плунжери 7 зворотно-поступального руху в циліндрах не роблять (l = 0). За один оберт вала З кожен плунжер робить один хід l (рис. 3.14) вправо, усмоктуючи з порожнини об'єм рідини Δ Q =  і один хід вліво, виштовхуючи цей об'єм у нагнітальну порожнину. Теоретична подача насоса за один оберт вала, що має в роторі z плунжерів, буде дорівнювати

q _т = .              (3.43)

Дійсна подача насоса Q, що має частоту обертання п приводного вала 3, може бути знайдена з рівняння

Q = q _т n η ₀.               (3.44)

Якщо в порожнину нагнітання насоса р _наг подати тиск від іншого насоса, то на плунжері виникає зусилля від цього тиску, що розкладається на дві складові в точці дотику головки плунжера з поверхнею опорної шайби 4. Під дією окружної складової цього зусилля ротор гідромашини починає обертатися, і гідромашина працює в режимі гідромотора. При цьому з вала 3 можна знімати механічну енергію.

При зміні напрямку обертання вала 3 з п на п' чи зміні кута нахилу шайби з +β на -β (рис. 3.14) змінюється напрямок руху потоку рідини р_ус на р'_ус і р _наг на р' _наг.

У будівельній техніці, дорожніх машинах та інших машинах широко застосовують аксіальні роторно-поршневі ГМ з похилим нерухомим чи поворотним циліндровим блоком. Наприклад, конструкція аксіально-поршневого гідромотора типу ПМ з похилим нерухомим блоком циліндрів і кесиловим карданом представлена на рис. 3.15.

В отворі корпуса 1 на підшипниках 2 установлений вал 3, що через кардан з'єднаний з циліндровим ротором 5, встановленим у корпусі 4 на осі 7 з підшипником 6 і притиснутим пружиною 8 до розподільчого диска 11 з двома дугоподібними каналами (рис. 3.16, вид В-В). У циліндрах ротора розміщені поршні 12, що завальцьовані на малі сферичні головки шатунів. Великі сферичні головки завальцьовані у фланці 13 вала 3, що має шліцьовий кінець для з'єднання з валом навантаження. Штифт 10 охороняє розподільчий диск 11 від провертання відносно кришки 9, в якій розташовані канали для підведення і відведення робочої рідини. Витрати рідини між поверхнями торця ротора і диска 11 накопичуються всередині корпусів 1 і 4 і звідти відводяться на злив. Герметизація гідромотора здійснюється за допомогою ущільнювальних кілець і манжети 14. Зі схеми (рис. 3.16) видно принцип роботи аксіально-поршневої гідромашини з похилим блоком (β= const) у режимі гідромотора.

Робочий цикл гідромотора складається з процесу нагнітання робочої рідини р _наг У робочі камери А, через отвори Ж (переріз Б-Б), розташовані над відповідним дугоподібним вікном Е чи К (переріз В-В), і витиснення рідини з камер на злив р _зл.

 

Наприклад, нагнітання р _наг робочої рідини Q відбувається в робочих камерах А, що в цей момент з'єднані з нагнітальним дугоподібним вікном Е розподільчого диска 1. Сила тиску, що діє на поршні 2 по осі циліндрів ротора 3, через шатуни 4 передається на фланець 6 вала 7 під кутом β. Розкладання вертикальних складових діючих у площині фланця 6 сил дає радіальні і тангенціальні сили від кожного з поршнів, з'єднаних з порожниною нагнітального вікна Е. Радіальні складові сприймаються підшипниками вала, а тангенціальні сили створюють момент М_кр щодо осі вала, що придає валу мотора обертання з частотою

n _м= .                   (3.45)

Крутильний момент на валу гідромотора визначають за формулою

М_кр=Δ p _м η _тм q _тм/2π Нм,         (3.46)

де Δр _м =р _тм -р_зл - перепад тиску на гідромоторі. Па; η _тм – ККД гідромотора.

Величину q _тм (м³/об) можна знайти за рівнянням (3.43), в яке підставляються значення параметрів, позначених на рис. 3.16. Обертання вала 7 за допомогою несилового кардана 5 передається блоку циліндрів 3, у результаті чого відбувається з'єднання наступних робочих камер з порожниною нагнітання Е. Одночасно відбувається процес витиснення в робочих камерах А '_і, що в цей момент з'єднані з дугоподібним вікном К, і рідина під тиском р_зл йде на злив. Під час роботи блок циліндрів 3 притиснутий до розподільчого диска 1 гідравлічними силами. Якщо змінити напрямок потоку рідини й нагнітати її в робочі камери А '_і, через дугоподібне вікно К під тиском р _наг, то напрямок обертання циліндрового блока 3 і вала 7 гідромотора зміниться на протилежний.

З аналізу рівнянь (3.43) і (3.44) видно, що змінити частоту обертання вала гідромотора можна за рахунок зміни величини витрати, що підводиться до гідромотора, чи зміною q _тм, а величину моменту М_кр на його валу - за рахунок зміни перепаду тиску Δ р _м або q _тм. З рівняння (3.43) видно, що величину q _тм можна змінити за рахунок зміни величини кута нахилу циліндрового блоку в межах β = 10...30°. Зі збільшенням кута нахилу β при q _м = const частота обертання вала мотора зменшується, а крутильний момент М_кр відповідно зростає.

Сучасна промисловість виготовляє роторно-поршневі насоси, що мають такі параметри: n _ном= 950...3500 хв^-1, номінальний тиск  р _ном = 15...40 МПа, теоретична подача за один оберт вала (робочий об'єм) q _т = (5...500)·10^-6м³/об, об'ємний ККД  η₀ = 0,97, повний ККД насоса η_н = 0,82...0,93, гідромеханічний ККД можна знайти: η _гмех.= .

 

 

 

Радіально-поршневі гідромашини знайшли широке застосування у верстатах і пресах.

На рис. 3.17 наведена конструктивна схема радіально-поршневого насоса однократної дії типу НПМ. Принцип роботи насоса полягає в наступному.

Поршні 6, обертаючись разом із блоком циліндрів 4, беруть участь одночасно у зворотно-поступальному русі в радіальному напрямку, тому що вони спираються на кільцеву направляючу поверхню 5 статора З, розміщену з ексцентриситетом е щодо осі 0 обертової частини гідромашини (ротора).

Кінематична схема для одного поршня машини показана на рис. 3.18. З її розгляду видно, що такий механізм представляє інверсію кривошипно-шатунного механізму. Кривошип ОО' = е закріплений, а шатун ОС, обертаючись навколо центра О', сковзає кінцем С по промені ОС осі циліндра, що обертається навколо центра О. Хід поршня за половину оберту ротора визначений ексцентриситетом:

h = 2(OO ') = 2 е.

Поточне значення переміщення поршнів підкоряється залежності

х = R со sβ - e со s α - r, оскільки R = r +е, a x =е(1 - со s α) – R (1 -со s β). Крім того, R >> е. При цьому соs β ≈1. Тоді величина переміщення поршня приблизно буде дорівнювати х ≈ е(1 -со s а).

На рис. 3.17 показана радіально-поршнева регульована гідромашина з точечним контактом "метал по металу" між сферичними головками поршнів 6 і ведучими кільцями 5 статора. Контактні навантаження в цій парі обмежують максимальний тиск до р _{н max}= 16 МПа.

Зміна подачі на ходу здійснюється зміною ексцентриситету e ≤ e _max. Для цього корпус 2, усередині якого на підшипниках 1 розташований обертовий статор 3 з кільцями 5, виконаний ковзним у направляючих 19. Перехід центра статора О' через центр ротора О приводить до зміни напрямку подачі насоса чи до зміни напрямку обертання в режимі гідромотора. Завдяки вільному обертанню статора зменшується тертя при повільному ковзанні головок поршнів по кільцях 5. Конічна форма кілець 5 змушує поршні при цьому обертатися, що також знижує тертя і, отже, зменшує знос при їхньому ковзанні в циліндрах.

Розподіл рідини виконується цапфою 12 із прорізами 15 і 8 та перемичками 18, на якій обертається ротор, що центрується підшипниками 9.

 

 

 

При обертанні кожен циліндр половину оберту з'єднаний вікном 7 із прорізом 15, а іншу половину — з прорізом 8. Осьові отвори 14 і 10 з'єднують прорізи з підвідною 11 і відвідною 13 магістралями.

Щоб уникнути прогину цапфи 12 під дією односторонніх сил тиску, а також щоб уникнути розкриття зазору між цапфою і блоком циліндрів 4, застосовують гідростатичне розвантаження цапфи. Поршні висуваються з циліндрів під дією відцентрових сил і тиску рідини. Для зменшення навантаження в місці контакту поршнів 6 і кілець 5 площу поршнів прагнуть зробити меншою, а їхнє число - якомога більшим. Одночасно це сприяє вирівнюванню подачі й зменшенню радіальних габаритних розмірів завдяки зменшенню ходу h при заданому значенні q _т. Питому теоретичну подачу q _т (за один оберт вала) можна обчислити за формулою (2.43). Дійсну продуктивність насоса Q, що має частоту обертання п приводного вала 5, можна знайти за формулою (3.44) після підстановки значення q _т= .

Q = q _т n η₀= ,       (3.47)

де l =2е - повний хід поршня; е - ексцентриситет; z – число поршнів (плунжерів); сі - діаметр поршня (плунжера).

З рівняння (3.47) випливає, що продуктивністьнасоса можна регулювати не тільки за рахунок зміни частоти обертання вала, але й за рахунок зміни величини ексцентриситету е. Якщо статор 1, встановлений у корпусі насоса на направляючих (рис. 3.17, 3.18), перемістити вліво так, щоб вертикальні осі статора й ротора насоса збіглися (е = 0), то продуктивність стане рівною нулю (Q = 0). При можливості зсуву статора в обидва боки від осі ротора з'являється можливість реверса напрямку потоку робочої рідини.

 

 

 

 

Гідромотори високомоментні радіально-поршневі МР використовуються для обертання механізмів будівельних, дорожніх, вантажопідйомних та інших машин. Перевагою таких гідромоторів є одержання великих крутильних моментів (М_кр = 200...3000 Нм) при малій частоті обертання вала (п = 0,016...2,16 с^-1), що дає можливість безпосереднього з'єднання вала гідромотора з робочим органом машини (колесом, лебідкою, ходовим гвинтом і т. ін.) без застосування редукторів чи коробки зміни передач. Завод "Будгідравліка", м. Одеса, виготовляє 7 типорозмірів таких гідромашин: МР-45, МР-700, МР-1100, МР-1800, МР-2800, МР-4500 і МР-7000, що забезпечує одержання мінімальної частоти обертання вала гідромотора n _min= 0,016...0,026с^-1 і номінальною частотою обертання від п_ном = 0,5 с^-1 (МР-7000) до п _ном == 2,16 с^-1 (МР-450) при відповідних значеннях q _т = 7000 см³/об і                  q _т = 450см³/об. Ці гідромотори можуть працювати при р _ном=21 МПа і р _max=25МПа.

 

Гідротурбіни.