Характеристики роторных насосов

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.

Объемные гидравлические двигатели

 

В гидравлических двигателях происходит преобразование энергии потока жидкости в механическую работу. В объемных гидродвигателях это преобразование осуществляется в замкнутых объемах (рабочих камерах), которые попеременно сообщаются с напорной и сливной полостями. Гидродвигатель– это гидромашина, «противоположная» насосу. К нему подводится жидкость под давлением, а на выходе имеет место возвратно-поступательное или вращательное движения выходного звена.

По характеру движения выходного звена во всём многообразии объемных гидродвигателей выделяют две большие группы: гидравлические цилиндры(гидроцилиндры) и гидравлические моторы(гидромоторы).

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.