Лекции по "Технологии"

Лекция  №15 ОБЪЕМНЫЕ ГИДРОМАШИНЫ

1. Поршневые  насосы

2. Роторные гидромашины

3. Крыльчатые насосы

4. Основные сведения о  гидропередачах

5. Гидромуфта

6. Гидротрансформатор

 

 

Гидромашины, в которых  осуществляются попеременное заполнение рабочей камеры жидкостью и вытеснение ее из рабочей камеры, называют объемными. Такие машины предназначены для преобразования энергии потока жидкости в энергию движения выходного звена (гидродвигатели), и наоборот (насосы). Объемные гидромашины делятся на два больших класса — поршневые и роторные.

1. Поршневые насосы

Принцип действия. Простейший поршневой насос состоит из рабочего цилиндра, снабженного двумя клапанами всасывающим  и нагнетательным, поршня, совершающего возвратно-поступательное движение.

Рис. Поршневой  насос одинарного  действия:

1—всасывающий трубопровод; 2 — рабочая камера — напорный трубопровод; 4—поршень; 3 — цилиндр; 6 — шток; 7— крейцкопф; 8—шатун;  9—кривошип

Всасывающий трубопровод  соединяет камеру цилиндра с резервуаром. При ходе всасывания (поршень движется вправо) в камере вследствие увеличения ее объема, а также в месте соединения всасывающего трубопровода с цилиндром создается разрежение. Под действием перепада давлений жидкость перемещается к насосу, всасывающий клапан открывается и жидкость заполняет рабочую камеру цилиндра.

В процессе возвратно-поступательного  движения поршня жидкость перемещается по всасывающему трубопроводу в цилиндр насоса, а из него — в нагнетательную трубу и затем к потребителю. Потребителями могут быть резервуары, паровые котлы, аппараты и др.

Классификация. Поршневые насосы классифицируют следующим образом:

по числу цилиндров — одно-, двух-, трех- и многоцилиндровые;

по роду перекачиваемой жидкости — нефтяные (для перекачки горячих нефтепродуктов), дозировочные (для перекачки химических реагентов), предназначенные для перекачки сжиженных газов, цементировочные (для перекачки цементного раствора и воды при цементировании скважин) и др.;

по конструкции  поршня — поршневого типа, плунжерные (поршень представляет собой удлиненный полый цилиндр), диафрагмовые (цилиндр отделен от клапанной коробки упругой диафрагмой), с проходным поршнем;

по способу  действия — одинарного, двойного, тройного и четверного действия, а также дифференциальные;

по расположению рабочих цилиндров — горизонтальные и вертикальные;

по способу  приведения в действие — паровые прямодействующие (поршень насоса и поршень силового цилиндра закреплены на общем штоке), приводные (работают от двигателя через соответствующие передачи и кривошипно-шатунный механизм), ручные.

Поршневые насосы могут различаться  также по числу цилиндров.

Основные параметры. Параметрами, характеризующими работу любого поршневого насоса, служат подача Q, напор Н, мощность N, высота всасывания Н_вс и полный КПД насоса .

Объем жидкости, подаваемой поршневым  насосом за один оборот, определяют, исходя из объема цилиндра ,

где  Fn - площадь поршня; S— ход поршня.

Действительная подача (м³ /с) насоса одинарного действия

где n — частота вращения вала кривошипа, об/мин;

hoб — объемный КПД насоса.

Подачу насоса двойного действия (м³/ с) определяют с учетом объемов, подаваемых обеими половинами насоса за 1 оборот:

где f площадь штока поршня.

Среднюю подачу поршневого насоса можно определить через объем  жидкости V, вытесняемый поршнем, и время двойного хода поршня.

Для насоса простого действия средняя подача поршневого насоса

где F— площадь поршня; r— радиус кривошипа; w — угловая скорость кривошипа.

Теоретически поршневой  насос может развивать любой  напор. Однако практически напор ограничивается запасом прочности отдельных двигателей и мощностью двигателя, приводящего насос в действие. Мощность (кВт), потребляемая поршневым насосом,

где, γ – объемный вес  жидкости, Н/м³, Q – подача насоса, м³/с, Н – напор насоса, м, ή_н – КПД насоса (0,7…0,9).

Высота всасывания поршневого насоса зависит от атмосферного давления, температуры и плотности жидкости, а также от частоты вращения вала двигателя.

2. Роторные гидромашины

К роторным гидромашинам относятся аксиально-поршневые, шестеренные, винтовые, пластинчатые и радиально-роторные насосы.

Аксиально-поршневые  насосы. Аксиально-поршневой насос состоит из ротора (блока цилиндров) 5, соединенного пространственным шарниром с наклонным валом (рис.    ). Поршни 4 блока цилиндров 2 соединены с шайбой шатунами 3.

Рис.  Аксиально-поршневые насосы:

1 - вал; 2 - блок цилиндров; 3 - шатуны; 4 - поршни; 5 - ротор

 

За полный оборот вала 1 поршень один раз всасывает и  один раз нагнетает жидкость. Ротор 5 вращается относительно неподвижной распределительной плиты, в которой выполнены дуговые пазы, соединенные соответственно с каналами всасывания и нагнетания. В процессе вращения ротора 5 цилиндры с поршнями последовательно проходят пазы всасывания и нагнетания, что обеспечивает непрерывное движение масла в нагнетательный трубопровод. Таким образом, процессы всасывания и нагнетания происходят без применения клапанов, что выгодно отличает эти насосы от обычных поршневых насосов клапанного типа.

Подача Q (л/с) аксиально-поршневых насосов

где d — диаметр поршня, м; D — диаметр окружности, на которой расположены центры цилиндров, м; z — число поршней (цилиндров); n — частота вращения вала, об/мин; hоб — объемный КПД насоса; a— угол наклона вала (20...25°).

Регулирование подачи достигается  изменением угла наклона вала (шага поршней). При a = 0 подача Q=0.

Эти насосы также обратимы: при подаче в них масла под давлением от другого насоса они становятся гидродвигателями вращательного движения. По сравнению с радиальными осевые поршневые насосы при одинаковой подаче имеют меньшую массу и размеры. Кроме того, из-за меньшего момента инерции вращающихся масс в них допускается большая частота вращения: n³ 5000 об/мин (n = 15 000 об/мин у насосов на самолетах). Подача насоса достигает 900 л/с, давление (200...600)×10⁵ Н/м², КПД 0,90...0,95.

Шестеренные насосы. Их применяют в системах маслоснабжения насосных и электрических станций, гидроприводов сельскохозяйственных и строительных машин с разомкнутой циркуляцией, а также для перекачки различных жидкостей, не содержащих твердых частиц.

Шестеренные насосы характеризуются  простотой устройства и надежностыо эксплуатации, небольшим числом высокоточных и изнашивающихся деталей, малыми стоимостью, габаритами и массой.

Принцип действия насосов состоит  в следующем. Две шестерни J и 5 (рис. 6.5) равной ширины и равного модуля находятся в защеплении и располагаются в цилиндрических расточках корпуса 7 насосц с минимальным радиальным зазором. К торцам шестерен прибегают боковые стенки корпуса насоса. При вращении шестерен жидкость, расположенная между зубьями, переносится из полости всасывания 2 в полость нагнетания 4. В напорной полости Жидкость из впадин вытесняется зубьями противоположной шестерни и поступает в напорную линию насоса.

Шестеренньгй насос желательно устанавливать так, чтобы уровень  рабочей жидкости в баке был выше места установки насоса. Это особенно важно, если гидросистема эксплуатируется при пониженной температуре воздуха, когда вязкость рабочей жидкости может значительно возрасти.

Шестеренные насосы используют также в качестве гидромоторов. При этом вследствие возможности реверсирования гидромоторы должны иметь симметричные устройства входа и выхода.

 

Рис. 6.5. Принцип  действия шестерея-ного насоса:

1- корпус, 2- полость всасывания, 3, 5- шестерни, 4- полость нагнетания

Основные параметры  шестеренного насоса рассчитывают по следующим формулам. Действительная подача (м/с) шестеренного насоса

,

где F-площадь поверхности впадины между зубьями, м²; В- длина шестерни, мм; z_i и а — число зубьев ведущей и ведомой шестерен; n - частота вращения, об/мин, ή_об- объемный КПД.

Объемный КПД  шестеренного насоса ή_об = ή_д/ή_т,

ще ή_д, ή_т — действительная и теоретическая подача.

Винтовые насосы. К группе винтовых герметичных насосов относятся насосы, у которых благодаря специальному профилю нарезки винтов обеспечивается почти полное разобщение напорной и всасывающей камер. Рабочими органами являются три винта (трехвинтовой насос):

Пластинчатые (шиберные) насосы. Такие насосы применяют в гидроприводе автопогрузчиков и гидроусилителях рулевого управления автомобилей. Пластинчатый (шиберный) насос (рис. 6.7) состоит из барабана, приводимого во вращение двигателем, статора 7 и пластин 4. Барабан эксцентрично размещен в корпусе насоса. Пластины

Рис. 6.6. Винтовой насос:

I, 2, 3— вшггы; 4 — корпус

вращаются вместе с барабаном и одновременно совершают возвратно-поступательное движение вследствие их эксцентричного расположения в корпусе.

1 — статор, 2, 5 — всасывающие камеры, 3, 7—нагнетательные камеры, 4— пластина, 6 — ротор, 8 — вал

Радиальные роторно-поршневые насосы. Такие насосы применяют в машинах большой мощности и гидроприводах стационарных установок.

Схема роторй радиально-поршневого насоса переменной подачи с автоматическим управлением приведена на рис. 6.8.

Рис. 6.8. Схема  радиального роторно-поршневого насоса:

1 - цилиндры, 2 - пружины, 3 - ротор, 4 - статор, 5 - перемычки, 6 - поршни, 7 – корпус

3. Крыльчатые насосы

Крыльчатые насосы (четырехкратного  действия) отличаются от других ручных насосов меньшей массой и более  высокой подачей. Кроме того, чтобы привести их в действие, требуется меньшее усилие. Однако эти насосы могут засасывать жидкость снизу только в том случае, если сам насос и его всасывающая труба будут предварительно залиты перекачиваемой жидкостью.

Рис. Ручной крыльчатый насос:

1, 2, 3, 4 - внутренние полости, 5, 6 - всасывающие клапаны, 7, 8 - нагнетательные клапаны, I, II— соответственно прямое и обратное движение крыльчатки

4. Основные сведения о гидропередачах

Гидропередача - это сочетание в одном агрегате рабочих органов двух лопастных машин - центробежного насоса и гидротурбины. Она состоит из рабочих колес, соосно расположенных в непосредственной близости друг от друга и заключенных в общий кожух.

Классификация и основные особенности. Гидропередачи классифицируют на гидродинамические муфты (гидромуфты) и трансформаторы (гидротрансформаторы). Их используют для переноса энергии от двигателя к приводимой машине потоком жидкости.

Поток жидкости в гидродинамической  передаче характеризуется большим расходом и небольшим статическим давлением, поэтому в качестве ведущего элемента используют центробежные насосы с высокой подачей. Лопастям насосного колеса жидкости сообщается энергия динамического напора. В турбинном колесе гидравлическая энергия преобразуется в механическую. Гидродинамическая передача передает вращающий момент с одного вала на другой и мощность при отсутствии жесткого соединения ведущего и ведомого валов. Это обеспечивает защиту двигателя и приводимой машины от вредного влияния пульсаций нагрузки и перегрузок. Данные свойства значительно продлевают срок службы машин вследствие способности гидродинамической передачи плавно изменять величину, а иногда и знак передаваемого крутящего момента при соответственном изменении частоты вращения ведомого вала. Такие трансмиссии могут играть роль бесступенчатых редукторов, автоматически обеспечивающих нужное передаточное отношение. Эти и ряд других преимуществ привели за последние десятилетия к широкому распространению гидродинамических передач в промышленности и на транспорте.

5. Гидромуфта.

Это - гидродинамическая передача с двумя колесами насосным и турбинным. Она имеет одинаковые крутящие моменты на ведущем и ведомом валах, т. е. не происходит трансформации энергии. А чтобы уменьшить передаваемый на ведущий вал вращающий момент, в гидромуфте установлен диафрагмовый порог 3. Передача энергии от насосного колеса на турбинное осуществляется при помощи рабочей жидкости. Чтобы рабочая жидкость не вытекала из внутренних полостей гидромуфты, предусмотрены уплотняющие устройства, расположенные между валом и корпусом.

При вращении насосное колесо забирает рабочую жидкость из турбинного колеса, она приобретает запас кинетической энергии и подвергается закручиванию, что приводит к увеличению количества движения рабочей жидкости. Раскручиваясь, жидкость поступает на турбинное колесо, оказывая давление на его лопасти, и при этом теряет часть своей энергии. От турбинного

Рис. 7.2. Гидромуфта и гидротрансформатор:

а — гидромуфта: 1— корпус; 2, 5— турбинные колеса; 3 — диафрагмовый порог; 4—ведомый вал; 6, 8— турбинные колеса; 7—ведущий вал; б, в—гидротрансформатор (б— ведомая часть: 7— неподвижный направляющий аппарат; 2— насосное колесо; 3— ведущий вал; 4— ведомый вал; 5—турбинное колесо; 6— тор; в—ведущая часть: У—неподвижный направляющий аппарат; 2 — отверстие для пополнения системы маслом; 3 — ведущий вал; 4 — насосное колесо; 5—кожух; 6—ведомый вал; 7—турбинное колесо; 8—тор)