Гидравлические насосы и двигатели

В системах гидроавтоматики для создания давления и расхода рабочей жидкости для гидроприводов, а также для преобразования напора рабочей жидкости в механическую энергию применяются поршневые роторные насосы и двигатели с аксиальным распо­ложением цилиндров. Роторные насосы и двигатели являются механизмами обратимого действия, т. е. насос может работать как двигатель, если к нему подводить рабочую жидкость под давлением, а с вала снимать полезную мощность.

Требование уменьшения массы и объема агрегатов гидросистемы обусловило применение высоких давлений и больших скоростей вращения насосов гидросистемы. Насосы создают давление рабочей жидкости 20...30 МПа при скорости вращения ротора до 5000 об/мин, обеспечивая скорость подачи жидкости от 4 до 90 л/мин. Кроме обеспечения необходимого давления и расхода (подачи) при минимальных массе и объеме насосы должны обеспечить на выходе минимальную пульсацию давления и расхода, чтобы не вызвать вибрационные напряжения в трубопроводах и агрегатах, а также надежно работать в широком диапазоне температур от -65 до 180 ºС.

Для обеспечения бескавитационной работы насосов давление жидкости на входе должно быть не менее 0,2 МПа. Обычно давление на входе обеспечивается за счет поддавливания, в результате которого в гидробаке поддерживается давление в диапазоне 0,3... 0,5 МПа.

Поршневые (плунжерные) насосы с аксиальным расположением цилиндров могут быть разделены на две основные группы:

поршневые насосы с наклонной (качающейся) шайбой, ось цилиндрового блока которых совпадает с осью входного вала, а ход поршня зависит от угла наклона опорной шайбы относительно входного вала;

поршневые насосы с наклонным цилиндровым блоком, ось входного вала которых совпадает с осью опорной шайбы, а ход поршня зависит от угла наклона цилиндрового блока относительно оси входного вала.

В обеих группах цилиндры блока вращаются относительно корпуса насоса, что позволяет просто осуществить торцевое распределение жидкости при входе ее в цилиндр и выталкивании жидкости из цилиндра поршнями. Число цилиндров в цилиндровом блоке колеблется от 7 от 9. Цилиндровый блок открытой стороной цилиндров скользит по неподвижному торцевому распределительному диску, на поверхности которого имеются два серповидных окна для входа и выхода жидкости. Серповидные окна расположены так, что распределительные перемычки между ними соответствуют крайним (мертвым) положениям поршней в цилиндрах. Ширина перемычки несколько больше диаметра отверстия в цилиндре. Схемы, поясняющие работу аксильно-поршневого насоса, показаны на рис.50.

Подача насоса регулируется изменением угла наклона оси шайбы относительно цилиндрового блока. Угол наклона регулируется поворотом шайбы относительно цилиндрового блока либо, наоборот, наклоном цилиндрового блока относительно неподвижной опорной шайбы и изменяется от 5 до 20°.

Поршневые насосы — качающие устройства объемного типа. Их теоретическая подача (рабочий объем) за один оборот равна объему, описываемому поршнями:

где d — диаметр цилиндра; h — ход поршня; z — число поршней в цилиндровом блоке.

Теоретический объемный расход

Q = gn,

где n — частота вращения ротора насоса.

Рис.50. Схемы аксиальных насосов:

а — с изменением угла наклона шайбы; б — с изменением положения цилиндрового блока;

1 — неподвижный упорно-распределительный диск; 2 — канавка дренажа; 3 — цилиндровый блок;

4 — поршень; 5 — опорная шайба; 6 — ведущий диск; 7 — поршневой шатун; 8 — окно;

9 — распределительные перемычки для смягчения нарастания давления; 10 — канавка

На рис.51 показан принцип работы аксиального насоса с автоматическим регулированием подачи за счет изменения угла наклона шайбы. Чувствительным элементом здесь служит мембрана 4, действующая при повышении давления выше заданного значения на клапан 5, управляющий давлением в правой полости силового цилиндра, поршень которого изменяет угол наклона опорной шайбы 3. При открытии клапана 5 давление в правой полости силового цилиндра 1, питающейся из полости нагнетания насоса через дроссельное отверстие 2 в поршне, снижается и поршень перемещается под действием давления в левой полости вправо, при этом подача насоса уменьшается. При закрытии клапана 5 давления в правой и левой полостях силового цилиндра 1 выравниваются и его поршень, перемещаясь влево под действием пружины и давления жидкости на неуравновешенную площадь поршня силового цилиндра 1, поворачивает опорную шайбу 3 в положение с максимальным углом наклона, а следовательно, устанавливает насос на максимальную подачу.

Рис.51. Схема аксиального насоса с автоматическим регулированием подачи изменением наклона шайбы:

1 — силовой цилиндр; 2 — дроссельное отверстие; 3 — опорная шайба; 4 —мембрана; 5 — клапан

Силовые цилиндры

Силовой цилиндр является двигателем, преобразующим энергию жидкости или газа в механическую энергию перемещения поршня. Поршень в силовом цилиндре совершает возвратно-поступательное движение.

По конструкции силовые цилиндры можно объединить в следующие группы.

Силовой цилиндр с односторонним выходом штока поршня (рис.52, а). Движущее усилие на поршневом штоке при движении на выпуск штока

P = pf,

где р — рабочее давление (перепад давлений р₁ и р₂ в полостях цилиндра, разделенного поршнем, р = р₁ – p₂) f — рабочая площадь (площадь живого сечения) поршня

где D — диаметр поршня; d — диаметр штока.

Если давление р₂ на сливе значительно ниже давления p_l нагнетания и им можно пренебречь, то

где р_н — давление нагнетания, р_н = р₁.

Движущее усилие на поршневом штоке при движении на уборку штока

Если давлением слива (в этом случае р₁) можно пренебречь, то

Силовой цилиндр с двусторонним выходом штоков поршня (рис.52, б). Движущее усилие такого цилиндра

Усилие на штоках поршней при прямом и обратном ходе зависит только от перепада давлений на поршне.

Силовой цилиндр одностороннего действия с одинаковым давлением в полостях цилиндра (рис.52, в). Движущее усилие на поршневом штоке такого цилиндра при прямом ходе

Рис.52. Схемы силовых цилиндров:

а — с односторонним выходом штока поршня; б — с двусторонним выходом штоков поршня;

в — одностороннего действия; г — дифференциальный

Возвратное движение поршня в данном случае осуществляется за счет пружины.

Дифференциальный силовой цилиндр (рис.52, г). При одинаковом давлении в обоих полостях цилиндра р₁= р₂ = p. Тогда

Для того чтобы Р_{выпуска} = Р_уборки, реобходимо выполнение следующего равенства:

откуда . При этом:

максимальные усилия на выпуск и на уборку равны;

при одинаковом давлении в полостях цилиндра поршень занимает любое промежуточное положение;

рабочая площадь цилиндра .

На практике из-за механических потерь усилие на штоке поршня Р_эф меньше величины Р, рассчитанной по формуле Р = pf:

где — механический КПД силового цилиндра, = 0,99... 0,85 (среднее значение = 0,95).

Скорость перемещения поршня гидравлического цилиндра зависит от расхода жидкости и площади живого сечения:

где Q — расход жидкости, поступающей в рабочий цилиндр; η_об — объемный КПД силового цилиндра, учитывающий перетечку жидкости (при уплотнении металлическими кольцами η_об = 0,98); f — площадь живого сечения поршня.

Выход штока гидравлического цилиндра практически не зависит от нагрузки на штоке. Шток выходит плавно без толчков по мере расхода поступающей в цилиндр жидкости. Скорость выхода штока можно регулировать постановкой жиклера на входе в рабочую полость цилиндра.

Условия работы пневматического цилиндра совершенно иные вследствие двух факторов: сжимаемости газа и различного усилия трения в уплотнении поршня (коэффициент трения покоя больше коэффициента трения движения). В пневматическом цилиндре шток выходит резко или с толчками даже при медленном нарастании давления в цилиндре.