Аксиально-поршневые гидромашины

Согласно классификации аксиально-поршневых гидромашин (АПГМ) [9,10] различают гидромашины (гидромоторы и насосы) с наклонным блоком цилиндров (рис.2, а) и машины с наклонным диском (рис.2, б), понимая под первыми АПГМ, у которых ось вала и ось вращения блока цилиндров пересекаются под углом, а под вторыми – гидромашины, у которых вал и блок цилиндров расположены на одной оси. Кроме того, существует много других конструктивных различий, однако, они обычно не являются принципиальными и предельные характеристические возможности всех гидромашин этого типа в большинстве равноценны [4].

Кинематической основой АПГМ являются кривошипно-шатунный механизм, где скорость перемещения поршня относительно цилиндра изменяется по синусоидальному закону. Конструктивно любая гидромашина данного типа (см. рис. 2) имеет многоцилиндровый блок 2, поршни 3 которого связываются при помощи шатунов или иных средств с наклонным диском (Т-образным валом) 4, выполняющим в этой схеме роль кривошипа. Между блоком цилиндров 2 и крышкой корпуса 5 установлен торцевой распределитель 1. В процессе вращения блока цилиндров 2 поршни 3 совершают вращательное и возвратно-поступательное движения, благодаря чему осуществляется процесс всасывания и нагнетания жидкости каждым поршнем.

Торцевой распределительный узел является одним из основных узлов, определяющих работоспособность и долговечность обеих конструктивных разновидностей рассматриваемых АПГМ.

В основу принципа работы торцевого распределительного узла заложено выполнение распределительной, уплотнительной и опорной функций при самокомпенсации равномерного износа контактирующих поверхностей блока цилиндров и распределителя.

Рис. 2, а. Аксиально - поршневая гидромашина с наклонным блоком

 

Рис. 2, б. Аксиально - поршневая гидромашина с наклонным диском

Кинематической основой АПГМ являются кривошипно-шатунный механизм, где скорость перемещения поршня относительно цилиндра изменяется по синусоидальному закону. Конструктивно любая гидромашина данного типа (см. рис. 2) имеет многоцилиндровый блок 2, поршни 3 которого связываются при помощи шатунов или иных средств с наклонным диском (Т-образным валом) 4, выполняющим в этой схеме роль кривошипа. Между блоком цилиндров 2 и крышкой корпуса 5 установлен торцевой распределитель 1. В процессе вращения блока цилиндров 2 поршни 3 совершают вращательное и возвратно-поступательное движения, благодаря чему осуществляется процесс всасывания и нагнетания жидкости каждым поршнем.

Торцевой распределительный узел является одним из основных узлов, определяющих работоспособность и долговечность обеих конструктивных разновидностей рассматриваемых АПГМ.

В основу принципа работы торцевого распределительного узла заложено выполнение распределительной, уплотнительной и опорной функций при самокомпенсации равномерного износа контактирующих поверхностей блока цилиндров и распределителя.

Типовая конструкция торцевого распределительного узла АПГМ состоит из распределительного диска, сопряженного с его рабочей поверхностью торца блока цилиндров и жидкостной пленки, расположенной между ними. Нерабочая торцевая поверхность распределительного диска сопряжена с крышкой корпуса, если распределительный диск не выполнен за одно целое с крышкой.

В настоящее время разработано большое количество конструктивных решений торцевого распределительного узла, направленных на повышение работоспособности данных узлов за счёт усовершенствования формы, размеров и мест расположения рабочих окон и опорно-уплотнительных поясков распределительных поверхностей. Учитывая, что эти окна и пояски являются основными образующими элементами гидравлических силовых факторов, действующих на блок цилиндров и определяющих функционирование всего распределительного узла и гидромашины в целом, была разработана классификация АПГМ по конструктивному исполнению торцевых распределительных узлов (рис. 3), позволяющая вести целенаправленный поиск конструктивных решений при проектировании и модернизации этого узла.

Стремление к повышению качества работы торцевого распределительного узла привело к созданию трех основных вариантов его конструктивного исполнения (рис.4): распределитель изготовлен в виде неподвижной детали (рис.4, а); либо выполнен совместно с крышкой корпуса (рис. 4, б) и в виде двух деталей, одна из которых – накладное дно является неподвижной относительно блока цилиндров, а другая – торцевой распределитель – относительно корпуса гидромашины (рис. 4, в). При этом в практике наибольшее применение получили две конструкции торцевых распределительных дисков: с плоской формой рабочего торца и со сферической формой.

Рис. 3. Классификация АПГМ по конструктивному исполнению торцевых распределительных узлов [11]

 

Блок цилиндров Блок цилиндров Накладное дно

Распределитель Крышка-распределитель Распределитель Блок

а) б) в)

Рис. 4. Варианты исполнения торцевого распределительного узла АПГМ

 

В силу более высокой технологичности конструкции в настоящее время широкое применение в практике находят АПГМ с наклонным диском и гидростатическими опорами поршней.

Аксиально-поршневой насос с наклонным диском и гидростатическими опорами поршней имеет ряд конструктивных особенностей. На вал со стороны блока цилиндров действует большая радиальная сила, стремящаяся его прогнуть. Для ее восприятия вал имеет значительный диаметр и опирается на подшипники со значительной несущей способностью. Посадка блока цилиндров на шлицах вала выполняется обычно с зазором, который обеспечивает самоустановку блока цилиндров к распределителю. Блок цилиндров обычно изготавливается из стали и имеет вставные гильзы из специальной латуни. Блок цилиндров не контактирует непосредственно с распределителем. К торцевой поверхности блока цилиндров при помощи штифтов (или иными способами) прикреплен диск чаще всего из латуни, который контактирует с неподвижным стальным диском распределителя. Башмаки принудительно прижимаются к наклонному диску через сферический подпятник и обойму несколькими пружинами малого диаметра, размещенными в цилиндрических отверстиях, выполненных в блоке цилиндров. Центральная пружина прижимает блок цилиндров к распределителю. Полые поршни насоса иногда заполнены легким и жестким материалом — феноловым пластиком для уменьшения мертвого пространства в цилиндрах. Это снижает объемные потери, вызванные сжатием жидкости, приводит к уменьшению шума, устраняет кавитацию и обеспечивает более устойчивую работу гидромашины.

В настоящее время также выпускаются нерегулируемые насосы и гидромоторы подобной конструкции. Срок их службы составляет ̴ 10000 часов.

Пластинчатые гидромашины

В настоящее время наиболее перспективными считаются пластинчатые насосы, в которых распределительный диск давлением рабочей жидкости автоматически прижимается к статору (модели Г12-4, Г12-2). В насосах других конструкций распределительные диски жестко прижаты к статору с помощью винтов. К таким насосам относятся, например, насосы типа Г12-1 (Л1Ф) [4,6].

Пластинчатым насосом называется роторный насос с рабочими камерами, образованными рабочими поверхностями ротора, статора, двух смежных пластин и боковых крышек [4,10].

На рис. 5 [4]. показана конструкция нерегулируемого пластинчатого насоса двукратного действия (типа Л1Ф). Насос состоит из корпуса 4, в котором помещены бронзовые диски 7 и 9 и

 

Рис.5. Нерегулируемый пластинчатый насос двукратного действия

статор 8, имеющий фасонный профиль. Этот профиль выполнен так, что участки кривой между нагнетательными и всасывающими окнами, прорезанными в дисках над полостями 19, 22 и 21, 23, являются дугами окружностей, описанных из центра вращения ротора. Сопряжения, расположенные под окнами, выполнены по спирали Архимеда. Ротор 18 насоса находится на валу 12, который вращается на шариковых подшипниках. Ротор своими цапфами вращается в подшипниках скольжения 14, выполненных за одно целое с распределительными дисками. В роторе сделаны двенадцать прорезей, расположенных наклонно к радиусам; в этих прорезях помещены пластины 20. Со стороны передней крышки 1 вал насоса уплотнен сальником 2, который прижимается крышкой через подшипник 3 и кольцо. Задняя крышка 10 уплотнена кольцом 15. Статор и распределительные доски фиксируются относительно корпуса насоса ступенчатой шпилькой 16. Жидкость, попадающее между торцом одного бронзового диска и корпусом, отводится по дренажному каналу 11 через подшипник и штуцер 13 в бак; из торцового зазора другого бронзового диска масло отводится по зазору между валом и корпусом, по каналу 6 во всасывающий канал 5. При вращении вала 12 от электродвигателя пластины под действием центробежных сил выходят из пазов и прижимаются к статору. В дальнейшем пластины прижимаются к статору не только под действием центробежных сил, но и давлением жидкости в полости нагнетания.

Ротор вращается в направлении наклона пластин. Пластины в полостях 21 и 23 обеспечивают всасывание жидкости в результате увеличения объёма, заключенного между боковыми поверхностями пластин, статором, ротором и дисками при вращении ротора. При дальнейшем вращении пластины переходят в полости 19 и 22, где размеры камер уменьшаются, что обеспечивает подачу жидкости в нагнетательный трубопровод 17.

В пластинчатых насосах путём смещения статора можно получать различные значения эксцентриситета по обе стороны от ротора, что позволяет регулировать рабочий объём насоса и осуществлять реверс его подачи.

Пластинчатые гидромашины применяют также для работы в качестве гидромоторов, для чего в насосах без принудительного ведения пластин необходимо предусмотреть механизм прижима пластин к статору при пуске мотора.

Шестерённые насосы

В гидроприводах вспомогательного назначения, например, подачи станков, находят широкое применение шестерённые насосы. Это объясняется простотой их конструкции и невысокой стоимостью [4].

Шестерённым насосом называют роторный насос с рабочими камерами, образованными рабочими поверхностями зубчатых колёс, корпуса и боковых крышек. По виду зубчатого зацепления шестерённые насосы подразделяют на насосы с внешним и внутренним зацеплением [4,6,12].

Конструкция одноступенчатого шестерённого насоса с внешним зацеплением показана на рис. 6. Ведомая шестерня 2 запрессована на валу 22.

Рис. 6. Одноступенчатый шестерённый насос с внешним зацеплением

Ведущая шестерня 6 связана с валом 17, выполненным с пояском 18. Валы шестерён вращаются на игольчатых подшипниках 8, во внутренних дуговых расточках корпуса 5 с зазором 0,07— 0,12 мм. Втулки 7 с обеих сторон корпуса прикреплены винтами 9 и 23 к крышкам 3 к 21. В свою очередь, крышки прикреплены к корпусу насоса винтами 4 и 10. Втулки служат наружными обоймами игольчатых подшипников. Между крышками 3 и 21 и корпусом помещены прокладки 1 из кальки; зазор между торцами шестерён и корпусом составляет 0,04—0,08 мм. Зазор регулируется прокладками. К крышке 21 винтами 19 крепится грундбукса 15.

Утечка жидкости через зазор предотвращается сальником 16 и торцовым уплотнением, включающим втулку 14 пружину 13, шайбу 12 и штифт 11, который входит в прорези во втулке. С помощью штифта втулка вращается вместе с валом и одновременно имеет возможность перемещаться вдоль вала. Под действием пружины и давления жидкости в полости 20 втулка прижимается к шлифованной поверхности грундбуксы 15, что обеспечивает надёжное уплотнение вала 17.

Насос работает следующим образом. При вращении вала 17 от электродвигателя в полости всасывания насоса образуется разряжение, под действием которого жидкость всасывается из бака. Жидкость заполняет впадины шестерён и переносится порциями, замкнутыми между корпусом насоса, боковыми крышками и зубьями шестерен, в полость нагнетания и затем в трубопровод нагнетания насоса.