Характеристики объемных роторных насосов

Характеристикой насоса называют зависимость напора (или давления), создаваемого насосом, от его подачи (расхода) при постоянном числе оборотов.

Теоретическая подача объемного роторного насоса не зависит от давления (см. формулы (12.1), (12.9), (12.10), (12.12), (12.13)). Поэтому теоретическая характеристика объемного насоса – это прямая параллельная оси ординат (рис. 12.10).

Действительная характеристика объемного насоса отличается от теоретической за счет утечек перекачиваемой жидкости через зазоры между подвижными и неподвижными деталями. Жидкость перетекает из области нагнетания в область всасывания. Количество перетекающей жидкости пропорционально давлению и обратно пропорционально вязкости в некоторой степени

,

(12.14)

где А – константа, зависящая от конструкции насоса и величины зазоров.

Действительная подача насоса меньше теоретической на величину утечки, следовательно

,

(12.15)

где - объемный к.п.д. насоса.

Используя формулу (12.15), достаточно просто пересчитать характеристику насоса с одних условий работы () на другие ().

Сначала пересчитываем начальные абсциссы характеристики (объемный расход пропорционален числу оборотов)

.

(12.16)

Затем определяет величину утечки при выбранном давлении

.

(12.17)

По найденным значениям и строится характеристика насоса для новых условий работы (см. рис. 12.10).

Рис. 12.10

Так как характеристика объемного ротора насоса обычно является очень крутой, то, уменьшение подачи насоса, например, вследствие увеличения сопротивления сети, вызывает весьма значительное повышение давления. Чтобы обезопасить насос и связанную с ним систему от чрезмерного повышения давления необходимо регулирующее устройство. Простейшее из таких устройств переливной (перепускной) клапан. Схема насоса с переливным клапаном и его характеристика показаны на рис. 12.11.

На участке клапан закрыт, так как давление невелико. Точка - это начало открытия клапана. Усилие, создаваемое давлением жидкости на торцевой поверхности клапана, равно здесь усилию пружины ().

Рис. 12.11

На участке подача жидкости в трубопровод равна

.

(12.18)

 

 

Лекция 13

Гидродвигатели

 

Гидравлический двигатель – это машина, предназначенная для преобразования энергии гидравлического потока в механическую энергию.

По виду движения выходного звена гидродвигатели подразделяют на:

· гидроцилиндры;

· гидромоторы;

· поворотные гидродвигатели.

Основными характеристиками гидродвигателей являются: выходное усилие или крутящий момент, выходная мощность и к.п.д.

 

Гидроцилиндр – это объемный гидродвигатель с поступательным движением выходного звена.

Гидроцилиндры подразделяют на поршневые, плунжерные телескопические. На рис. 13.1 представлены некоторые схемы гидроцилиндров:

а) – поршневой односторонний;

b) – плунжерный односторонний;

c) – телескопический;

d) – поршневой двухсторонний.

Рис. 13.1

Характеристиками гидроцилиндра являются:

· - скорость движения штока;

· - усилие, развиваемое гидроцилиндром;

· - мощность.

Если для схемы d) обозначить:

· -действительная подача жидкости в гидроцилиндр;

· - внутренний диаметр гидроцилиндра;

· - диаметр штока;

· - давление в нагнетающей полости гидроцилиндра;

· - давление в полости слива гидроцилиндра,

то скорость движения штока определяется по формуле

,

(13.1)

а теоретическое усилие создаваемое на штоке можно найти по формуле

.

(13.2)

Теоретическая мощность гидроцилиндра равна

.

(13.3)

Выходная мощность гидроцилиндра за счет потерь на трение меньше, что определяет коэффициент полезного действия этого гидродвигателя

.

(13.4)

В зависимости от конструкции и качества изготовления к.п.д. гидроцилиндров имеет значение 0,85 … 0,95.

 

Гидромоторы – это объемные гидродвигатели с неограниченным вращательным движением выходного звена.

Гидромоторы в машиностроении – это, обычно, роторные насосы, использующие свойство обратимости, когда при подводе жидкости под давлением в полость нагнетания его ротор начинает вращаться.

Гидромоторы, как и насосы, подразделяются на регулируемые и нерегулируемые. Если ротор может вращаться только в одну сторону – гидромотор называют нереверсивным, если в обе – реверсивным.

Схема усилий, поясняющая создание вращающего момента на валу гидромотора, показана на рис. 13.2.

Рис. 13.2

В полости нагнетания давление выше, чем в полости слива. Потому усилия и со стороны полости нагнетания больше, нежели со стороны полости слива, что и создает вращающий момент на валу ротора за счет разности усилий (слева и справа от вертикальной плоскости симметрии на рисунке).

За один оборот ротора подаваемая в гидромотор жидкость совершает работу , а работа вращающего момента на валу гидромотора . Если пренебречь потерями, , тогда

,

(13.5)

где

· - рабочий объем гидромотора;

· - давление в нагнетающей полости гидромотора;

· - давление в полости слива гидромотора.

Формула (13.5) не учитывает потери на перетекание жидкости и механические потери на трение. С учетом этих потерь мощность на выходном валу гидромотора можно найти по формуле

,

(13.5)

где

- число оборотов ротора гидромотора в минуту;

-к.п.д. гидромотора.

Если воспользоваться действительной подачей жидкости в гидромотор , то легко получить следующие формулы

(13.5)

 

Поворотные гидродвигатели – это объемные гидродвигатели с ограниченным углом поворота выходного звена.

Есть две принципиально разные схемы.

Гидродвигатели с преобразованием поступательного движении во вращательное. Наиболее распространены плунжерные поворотные гидродвигатели, в которых движение поршня преобразуется в поворотное движение выходного звена с помощью зубчатой передачи (рис.13. 3). Основой такого гидродвигателя является гидроцилиндр, поэтому методика его расчета аналогична методике расчета поршневых гидроцилиндров.

Если шестерня поворотного двигателя имеет зубьев модуля , а рабочий ход плунжера , угол порота выходного вала равен

.

(13.6)

Крутящий момент на выходном валу легко найдем, используя принцип возможных перемещений

.

(13.7)

Так как , , из () легко находим

.

(13.8)

Угловая скорость вращения ротора и мощность на выходном валу определяются формулами (), ()

; .	(13.9)   (13.10)

 

Гидродвигатели без преобразования характера движения. К таким двигателям относятся шиберные поворотные гидролвигатели (рис. 13. 4). Угловая скорость и крутящий момент на валу шиберного гидродвигателя без учета потерь определяют по формулам

(13.11)

где

· - ширина рабочей камеры (размер перпендикулярный плоскости рисунка);

· - давление в рабочей камере;

· - расход рабочей жидкости, подводимой к гидродвигателю.

Рис. 13.3

 

Рис. 13.4

Применение шиберных поворотных гидродвигателей ограничивается трудностью обеспечения надежной герметизации рабочей камеры при высоком давлении.

 

 

Лекция 14

Гидроаппаратура

Гидроаппаратом называют устройство, предназначенное для изменения или поддержания заданного постоянного значения давления, расхода жидкости, либо для изменения направления потока.

Наиболее часто встречаются три типа гидроаппаратов:

· гидрораспределители;

· клапаны;

· дроссели.

Основным элементом всех гидроаппаратов является запорный регулирующий элемент – подвижная деталь или группа деталей, при перемещении которой частично или полностью перекрываются рабочие проходные сечения гидроаппарата.

В зависимости от конструкции ЗРО ГА бывают: золотниковые, крановые, клапанные.

Если гидроаппарат изменяет параметры потока путем частичного открытия или закрытия проходного сечения, то он является регулирующим. Если гидроаппарат изменяет направление движения потока путем полного открытия или закрытия проходного сечения, то он является направляющим.

Гидроаппараты в которых степень открытия или закрытия может быть изменена в процессе работы воздействием из вне, называются регулируемыми. Если изменить регулируемые параметры можно только в нерабочем состоянии, то гидроаппараты называют настраиваемыми.

По принципу действия гидроаппараты делятся на гидроклапаны и гидроаппараты неклапанного действия. В гидроклапаны являются аппаратами прямого действия, а его, а гидроаппараты неклапанного действия – это аппараты непрямого действия.

Гидроклапаны.

Гидроклапаном называется ГА, в котором степень открытия проходного сечения изменяется под воздействием напора рабочей жидкости. Гидроклапаны бывают регулирующие и направляющие.

К регулирующим гидроклапанам в первую очередь относятся клапаны давления, предназначенные для регулирования давления потока рабочей жидкости. Наиболее широко применяются напорные и редукционные клапаны (рис.14.1 … 14.4).

Рис. 14.1

Рис. 14.2

Напорный гидроклапан представлен на рис.14.1. Открытие клапана и проход потока жидкости на слив происходит при превышении давления в линии высокого давления некоторого значения , которое определяется усилием предварительного сжатия пружины

,

где - диаметр седла клапана.

В системах с высоким рабочим давлением применяют напорные клапаны непрямого действия, в которых поток рабочей жидкости воздействует на запорно-регулирующий орган не непосредственно, а через вспомогательное устройство (рис.14.2). Входная полость клапана через дроссель 1 соединена с полостью А. При в полости А устанавливается давление , которое действует на поршень 2 (площадь ) совместно с пружиной 3 и прижимает поршень к седлу, закрывая проход рабочей жидкости. При открывается шариковый клапан 4, пружина которого рассчитана на усилие , где - площадь отверстия 5. После открытия шарикового клапана давление в полости А падает и поршень 2 смещается вправо, открывая проход рабочей жидкости на слив. Достоинством такого клапана является стабильность давления при изменении расхода в широком диапазоне.

Редукционный гидроклапан – регулирующий гидроклапан, предназначенный для поддержания постоянного давления в потоке рабочей жидкости на выходе из него; при условии , где - давление в подводимом потоке, (давление на входе).

Редукционные клапаны обычно устанавливают в системах, где от одного насоса работают несколько потребителей. Кроме того, они могут выполнять задачу стабилизации давления в рабочей магистрали при переменном значении давления, создаваемого насосом. Величина давления на выходе регулируется изменением усилия обжатия пружины регулировочным винтом 2 (рис. 14.3).

Рис. 14.3

Рис. 14.4

Если допустить, что силы трения в подвижных элементах малы, уравнение равновесия можно записать в виде

,

где - усилие предварительного сжатия пружины.

При достаточно эластичной пружине с малой погрешностью можно записать

.

 

Часто в гидросистемах используются обратные гидроклапаны (рис. 14.4). Обратный гидроклапан – направляющий гидроаппарат, предназначенный для пропускания рабочей жидкости только в одном направлении. При изменении направления потока обратный клапан закрывается, прекращая подачу рабочей жидкости в соответствующую гидролинию. Основные требования к обратным клапанам – полная герметичность при закрытом положении и минимальное сопротивление потоку в открытом положении.

На рис. 14.4 – при прямом направлении потока рабочая жидкость подается через канал А под клапан 1, который преодолевая усилие пружины 2 поднимается вверх и открывает проход рабочей жидкости в канал Б. При изменении направления потока клапан 1 давлением рабочей жидкости и усилием пружины прижимается к седлу 3, перекрывая поток. Усилие пружины незначительно и обеспечивает только надежную посадку клапана на седло.

 

Гидродроссели – это регулирующие гидроаппараты неклапанного действия, представляющие специальное местное сопротивление, предназначенное для снижения давления в потоке рабочей жидкости, проходящей через него.

Основной характеристикой гидродросселя является зависимость расхода от перепада давлений в подводимом и отводимом потоках : . По характеру указанной зависимости дроссели делятся на линейные и нелинейные.

В линейных дросселях потери давления определяются, в основном, трением жидкости в канале. Схема такого регулируемого дросселя представлена на рис. 14.5. Расход через дроссель определяется по закону Пуазейля

где и - длина и диаметр канала; - кинематическая вязкость; - удельная плотность жидкости; - перепад давлений в подводимом и отводимом потоках. Жидкость подводится к отверстию А и, пройдя через канал, поступает к отверстию Б. Регулирование величины осуществляется за счет перемещения пробки 1 относительно корпуса 2 с помощью рукоятки 3, благодаря чему изменяется длина канала, соединяющего отверстия А и Б.

Рис.15.5

Для канала прямоугольного сечения со сторонами a и b расход выражается формулой .

Основным недостатком линейных дросселей, ограничивающих сферу их применения, является нестабильность характеристики дросселя при изменении температуры рабочей жидкости, которая обусловленна зависимостью вязкости рабочей жидкости от температуры.

В нелинейных дросселях потери давления связаны с отрывом потока и вихреобразованием. Примером нелинейного дросселя является квадратичный дроссель, потери давления в котором пропорциональны квадрату скорости (или расхода). Потери на трения в квадратичных дросселях практически отсутствуют, благодаря чему расход через дроссель не зависит от вязкости жидкости, характеристика дросселя в широком диапазоне температур остается постоянной. Простейший нелинейный дроссель представляет отверстие с острой кромкой в тонкой стенке (рис. 14.6). Для получения больших перепадов давления или малых расходов при =const используют пакет дросселирующих шайб. Расход через такой дроссель определяется по формуле , где А – площадь отверстия; -- коэффициент расхода для одной шайбы, k – коэффициент взаимного влияния ступеней дросселя (можно принять ~1,25).

Рис.14.6

 

Гидрораспределители. Гидрораспределитель – это ГА, предназначенный для изменения направления потока рабочей жидкости в двух или более гидролиниях в результате внешнего управляющего воздействия. В машиностроении применяются гидрораспределители кранового или золотникового типа. Клапанные распределители, несмотря на всю их простоту и надежность, применяются редко, так как для их управления требуются значительные усилия.

Крановые гидрораспределители (рис. 14.7) работают в основном от внешнего механического воздействия. Для снижения трения цилиндрическая пробка 3 устанавливается на игольчатых подшипниках 2 в корпусе

Рис. 14.7

Рис. 14.8

крана 1. Поворот пробки обеспечивает подачу жидкости под давлением от насоса в линию А и слив жидкости в бак из линии Б (или наоборот).

Золотниковые гидрораспределители широко используются в машиностроении. их отличает многопозиционность, уравновешенность сил гидростатического давления, небольшое трение и простота конструкции. Они наиболее пригодны для систем автоматического и дистанционного управления (рис. 14.8). Запорно-регулирующий орган такого распределителя – цилиндрический плунжер (золотник) 1 с поясками и кольцевыми проточками, перемещающийся в корпусе (гильзе) 2 с каналами (окнами) для подвода и отвода рабочей жидкости. Изменение направления потока происходит за счет относительного перемещения золотника и гильзы. Как видно их схемы вследствие равенства площадей поясков осевая составляющая силы статического давления равна нулю.

Гидроаккумуляторы. Гидроаккумулятор – это устройство, предназначенное для аккумулирования энергии рабочей жидкости с последующим ее использованием.

ГАКК накапливает энергию в период частичной загрузки источника энергии (насоса) и возвращает ее в систему в период интенсивной работы гидродвигателя. Это позволяет снизить мощность насоса, доведя ее до средней мощности потребителей. ГАКК предохраняет систему от последствий гидроудара, выполняет роль компенсатора изменения объема при изменении температуры, служит источником энергии в аварийных ситуациях. На рис. 14.9 показан гидроаккумулятор с разделителем газовой и жидкой сред в виде мембраны.

 

Рис. 14.9

Рис.14.10

Аккумуляторы сферической формы отличаются компактностью и малым весом (при равных объемах поверхность сферы меньше, чем у других форм, а напряжения в стенках в два раза меньше, чем в стенках цилиндра того диаметра.

Гидропреобразователи. Гидропреобразователи – объемные машины, предназначенные для преобразования энергии одного потока в энергию другого потока с иным значением давления. Гидропреобразователи применяются тогда, когда необходимо получить очень высокое давление (свыше 70 МПа) при малых расходах рабочей жидкости. В гидроприводах машин гидропреобразователи используются для преодоления кратковременной повышенной нагрузки, когда использование дорогих насосов высокого давления нерационально. Схема простейшего преобразователя показана на рис. 14.10.

Давление подводимого потока действует на площадь , а на площадь действует давление . Равновесие золотника имеет место при равенстве сил, действующих на площади , т.е. , из которого и получаем коэффициент усиления гидропреобразователя

.

Кондиционеры рабочей жидкости. Кондиционерами рабочей жидкости называют устройства, предназначенные для получения необходимых качественных показателей и состояния рабочей жидкости. В машиностроительном гидроприводе используются два вида кондиционеров: отделители твердых частиц и теплообменники.

По принципу действия отделители твердых частиц делятся на фильтры и сепараторы. Основной показатель – качество фильтрации, определяемый размерами твердых частиц, задерживаемых отделителем. Грубая очистка – частицы диаметром до 100 мкм, средняя очистка – до 10 мкм, тонкая – до 1 мкм.

На рис. 14.11 приведена конструктивная схема сетчатого фильтра. Фильтр состоит из стакана 3, крышки 5 и трубки 4 с закрепленным на ней фильтрующим элементом 2. Фильтрующий элемент состоит из набора перфорированных дисков с натянутой н них сеткой. Жидкость поступает в стакан по входному каналу, проходит через сетку фильтрующего элемента и поступает в трубку 4, откуда и перетекает в выходной канал. Твердые частицы задерживаются на сетке и выпадают на дно стакана. Накопившиеся частицы периодически удаляются через сливное отверстие с пробкой 1, а фильтрующий элемент промывается или заменяется новым.

Кроме сетчатых используют щелевые и пористые фильтрующие элементы. Фильтр может иметь предохранительный клапан, который обеспечивает подачу жидкости к потребителю при его загрязнении, чтобы предотвратить внезапный отказ в работе гидропривода.

 

 

Рис.14.11

Теплообменники – это устройства, предназначенные для обеспечения заданной температуры рабочей жидкости. Они делятся на нагреватели и охладители жидкости. В гидравлических приводах, как правило, требуется охлаждение жидкости, чтобы предотвратить снижение вязкости.