Возвратно-поступательные насосы

Возвратно-поступательный насос - это объемный насос с прямолинейным возвратно-поступательным движением рабочих органов независимо от характера движения ведущего звена насоса.

Основными представителями этой группы насосов являются поршневые, плунжерные, диафрагменные и вальные насосы.

Поршневые насосы.это возвратно-поступательный насос, у которого рабочие органы выполнены в виде поршней.

На примере поршневого насоса рассмотрим особенности работы объемных насосов в целом. Насос одностороннего действия. Это поршневой насос, у которого жидкая среда вытесняется из замкнутой камеры при движении рабочего органа в одну сторону (рис.11.1).

Рис.11.1

Возвратно-поступательное движение поршней 1 чаще всего осуществляется посредством кривошипно-шатунного механизма 2, но применяют и другие механизмы (кулачковые, эксцентриковые и т.п.).

Для поршневых насосов характерно наличие всасывающих 3 и напорных 4 клапанов, регулирующих движение жидкости через рабочую камеру 5. При заполнении рабочей камеры жидкостью всасывающий клапан открыт, а напорный закрыт. При вытеснении жидкости (нагнетании), когда вытеснитель движется в обратную сторону, наоборот, всасывающий клапан закрыт, а напорный – открыт. Эти клапаны являются самодействующими, т.е. такими, которые открываются лишь воздействием перепада давления, а закрываются под действием собственного веса или пружины.

В конструкции насоса предусмотрен ползун (крейцкопф) 6, который при работе насоса воспринимает радиальную нагрузку, и она в этом случае не передается на поршень и цилиндр.

Если предположить, что длина шатуна l бесконечно велика по сравнению с длиной кривошипа r, то скорость перемещения поршня изменяется по синусоидальному закону в функции угла поворота кривошипа φ или времени. По такому же закону меняются подача насоса и расход жидкости во всасывающем и напорном трубопроводах.

На рис.11.2 показан график изменения подачи насоса Q по углу поворота φ. Как видим, подача происходит лишь на протяжении полуоборота кривошипа; в течение другой половины оборота происходит всасывание, а подача равна нулю, т.е. имеет место огромная неравномерность подачи.

Рис.11.2

Секундная теоретическая подача насоса при n двойных ходов в минуту определяется по формуле

.

Действительная подача Q насоса меньше теоретической. Уменьшение подачи обуславливается следующими причинами: запаздыванием в открытии и закрытии клапанов; неплотностью поршня и сальников, что ведет к утечке некоторого объема жидкости со стороны нагнетания в область всасывания, а также за пределы корпуса насоса; попаданием воздуха в цилиндр насоса извне через неплотности в сальниках и во всасывающей трубе, а также вместе с водой в растворенном состоянии.

Указанные утечки учитываются объемным КПД η_о. действительная подача

Q = η_оQ_Т.

Объемный КПД зависит от размеров насоса и находится в пределах 0,85…0,99.

На основании рассмотренного насоса можно сформулировать общие свойства объемных насосов, которые обусловлены их принципом действия и отличают их от ранее рассмотренных насосов лопастных:

- цикличность рабочего процесса и связанная с ней неравномерность подачи;

- герметичность насоса, т.е. постоянное отделение напорного трубопровода от всасывающего (лопастные насосы герметичностью не обладают, а являются проточными);

- самовсасывание, т.е. способность объемного насоса создавать вакуум во всасывающем трубопроводе, заполненном воздухом, достаточный для подъема жидкости во всасывающем трубопроводе до уровня расположения насоса. Лопастные насосы на это не способны;

- жесткость характеристики, т.е. крутизна ее в системе координат Q = f(p), что означает малую зависимость подачи насоса Q от развиваемого им давления (рис.11.3).

Рис.11.3

Объемный насос способен создавать сколь угодно высокое давление, обусловленное сопротивлением гидравлической системы, поэтому во избежание аварийной ситуации он снабжен предохранительным клапаном. Отрегулированный на определенное давление р_кл, он перепустит часть жидкости в гидроемкость и тем самым снизит давление в системе.

Дифференциальные насосы. С целью уменьшения неравномерности подачи насоса одностороннего действия изобрели дифференциальный насос (рис.11.4).

Рис. 11.4

В таком насосе полная подача за двойной ход распределяется равномерно между ходами. При ходе поршня вправо получается разрежение в камере А, и она заполняется жидкостью. Одновременно со стороны штока из камеры В жидкость будет подана в нагнетательный трубопровод. При обратном ходе (влево) всасывающий клапан закрывается и из камеры А через нагнетательный клапан жидкость вытесняется. Одна половина ее уходит в нагнетательный трубопровод, а другая - в камеру В.

Насос двухстороннего действия. Для уменьшения неравномерности подачи применяют насосы двухстороннего действия (рис.11.5).

Рис. 11.5

Для этого насоса за один оборот кривошипа подача изображается (рис.11.6) двумя синусоидами с различными амплитудами (первая меньше второго за счет площади штока), дважды подача обращается в нуль и дважды достигает максимального значения. Неравномерность подачи меньше, чем у насоса одностороннего действия, но все же очень велика.

Рис.11.6

Теоретическая подача такого насоса

.

Для дальнейшего уменьшения неравномерности подачи поршневые насосы стали оборудовать воздушными колпаками на всасывающей и нагнетательной линиях насоса (рис.11.7).

Рис. 11.7

Всасывающий воздушный колпак 1 размещается под всасывающим клапаном и соединяется с насосом короткой трубой l₁. Вода в колпак поступает через всасывающую трубу длиной l₂. Перед пуском насоса всасывающая труба и часть колпака заливаются, например, водой. После пуска в воздушном пространстве над уровнем воды в колпаке создается разрежение. При достаточно большом объеме воздуха в колпаке колебания уровня невелики; благодаря этому давление воздуха в колпаке остается почти постоянным. В таком случае вследствие постоянной разности давлений между р_о на поверхности воды и в колпаке р₁ вода в колпак все время поступает непрерывно и равномерно. Это значительно улучшает условия всасывания жидкости, так как высота всасывания h_вс уменьшается. Неравномерное (точнее, неустановившееся) движение остается только на коротком участке трубы между колпаком и насосом.

При выходе из насоса вода поступает в нагнетательный воздушный колпак 2. во время нагнетания воздух в колпаке сжимается под давлением нагнетаемой поршнем жидкости. При такте всасывания воздух, расширяясь, выталкивает жидкость в трубопровод. Таким образом, такт нагнетания как бы увеличивается во времени, что уменьшает неравномерность подачи.

Во время работы насоса количество воздуха в нагнетательном колпаке постоянно уменьшается, частично растворяясь в нагнетательной воде. Возобновить это количество воздуха можно при помощи компрессора или из баллона сжатого воздуха.

Плунжерный насос.Плунжерный насос является разновидностью поршневого насоса, в котором вместо поршня выполнен плунжер, который входит внутрь насосной камеры через сальник 1, являющийся в этом случае цилиндром насоса (рис.11.8).

Рис.11.8

При изготовлении такого насоса обрабатывается только плунжер, а внутренняя поверхность самого насоса остается необработанной.

Поршневые насосы при соответствующей технологии их изготовления способны создавать весьма высокие давления, измеряемые десятками, сотнями, а в отдельных случаях и тысячами атмосфер.

Но поршневые насосы можно использовать лишь при сравнительно небольшой частоте вращения, не более 300…500 об/мин. При более высокой частоте вращения нарушается нормальная работа самодействующих клапанов в насосе. В связи с этим свойством тихоходности размеры поршневого насоса оказываются значительно большими, чем центробежного, рассчитанного на те же параметры (подачу и давление). Поэтому из водоснабжения и ряда других отраслей техники поршневые насосы вытеснены центробежными и роторными насосами.

Поршневые насосы в виде мощных агрегатов с механическим приводом применяются в настоящее время главным образом в нефтяной и химической промышленности для перекачки жидкостей значительной вязкости, а также на тепловых электростанциях для питания паровых котлов высокого давления.

Кроме того, поршневые насосы находят применение в тех специальных областях, где требуется особенно высокое давление.

Роторные насосы

Роторный насос – это объемный насос с вращательным или вращательным и возвратно-поступательным движением рабочих органов независимо от характера движения ведущего звена насоса. Таким образом, обязательным движением является вращательное.

Основными представителями этой группы насосов согласно классификации являются шестеренные, пластинчатые, радиально-поршневые и аксиально-поршневые.

Шестеренные насосы.На примере шестеренного насоса рассмотрим особенности рабочего процесса всех роторных насосов. Эти насосы (рис.11.9) чаще всего выполняются в виде пары одинаковых зубчатых колес с эвольвентным зацеплением, заключенных в корпус.

Рис.11.9

Все роторные насосы состоят из трех частей: статора (неподвижная часть насоса), ротора и вытеснителей.

Рабочий процесс роторного насоса состоит из трех этапов.

1. Заполнение рабочих камер жидкостью. В шестеренном насосе это происходит в момент выхода зубьев из зацепления. Камерой является впадина зуба.

2. Изоляция (замыкание) камер от зоны входа и их перенос из зоны входа в зону выхода.

3. Вытеснение жидкости из рабочих камер. В шестеренном насосе это происходит в момент входа зубьев в зацепление.

Перенос рабочих камер в роторном насосе делает ненужными всасывающий и напорный клапаны. Благодаря этому роторные насосы обладают принципом обратимости, т.е. способностью работать в качестве гидродвигателей (гидромоторов) в том случае, когда к ним подводится жидкость под давлением от другого насоса (рис.11.10).

Рис.11.10

В связи с отсутствием клапанов роторные насосы более быстроходны, чем поршневые. В настоящее время они эксплуатируются на частотах вращения до 3000…5000 об/мин, а в отдельных случаях и на более высоких. Благодаря этому они и более компактны.

По сравнению с поршневыми роторные насосы обладают значительно большей равномерностью подачи:

Q = W·n.

где W – рабочий объем насоса, т.е. объем вытесненной жидкости за один оборот, см³.

Если конструкция насоса не позволяет изменить рабочий объем, то такой насос считается нерегулируемым и на гидравлических схемах он обозначается так:

если конструкция изменить рабочий объем, то насос считается регулируемым и на схемах обозначается так:

Шестеренные насосы выпускаются только нерегулируемыми, и это является их основным недостатком.

Шестеренные насосы способны создавать давление до 160 атмосфер. Для получения более высоких давлений иногда применяют многоступенчатые насосы. такой насос составлен из нескольких шестеренных насосов, соединенных последовательно; он создает давление, равное сумме давлений, развиваемых всеми ступенями. При этом для обеспечения надежного заполнения подача каждой предыдущей ступени многоступенчатого насоса должна быть больше расхода через последующую ступень. Излишки подачи отводятся через специальные сливные клапаны, размещенные в каждой ступени и рассчитанные на соответствующее давление.

Шестеренные насосы и гидромоторы являются наиболее распространенными типами гидромашин, что объясняется простотой изготовления и эксплуатации, малыми габаритами и массой, легкостью реверсирования, достаточной надежностью и высоким КПД. Они допускают сравнительно большие кратковременные перегрузки по давлению. Шестеренные гидромашины классифицируются по характеру зацепления, форме зубьев шестерен, числу пар роторов, помещенных в общий корпус.

Роторные насосы, в том числе и шестеренные, применяют в объемных гидроприводах на самых разнообразных машинах, станках и установках.

Пластинчатые насосы.Пластинчатый насос – это роторный насос с рабочими органами в виде пластин.

Эти гидравлические машины (насосы и гидромоторы) являются наиболее простыми из существующих типов объемных гидромашин.

Рис.11.11

Основными частями насоса (рис.11.11) являются ротор 1, помещенный с эксцентриситетом е в статор 2. ротор представляет собой цилиндр с радиальными прорезями, в которых скользят пластины-вытеснители 3, совершающие возвратно-поступатель-ные перемещения относительно ротора. Под действием центробежных сил пластины своими внешними торцами прижимаются к внутренней поверхности статора и скользят на ней.

Жидкость заполняет пространство между двумя соседними пластинами и поверхности ротора и статора. Это и есть рабочая камера. На дуге АВС объем этой камеры увеличивается и происходит ее заполнение жидкостью. На дуге СДА объем ее уменьшается и происходит вытеснение жидкости. В отличие от насоса шестеренного в этом насосе совмещены процессы переноса камеры с ее заполнением и вытеснением. Так как в пластинчатом насосе путь переноса рабочей камеры сведен до минимума, а разделение приемной и отдающей полостей осуществляется лишь контактом торца пластины и статора, то степень герметичности в насосе невелика. Вследствие этого и давление, создаваемое пластинчатым насосом, обычно несколько ниже, чем давление, создаваемое другими насосами.

Эти насосы находят применение в металлорежущих станках и различного рода погрузчиках. Развиваемое давление 10…12 МПа.

насосы изготавливают с постоянной и регулируемой подачей. регулирование ее осуществляется путем изменения эксцентриситета е.

Пластинчатые насосы выпускают однократного и двукратного действия.

В качестве гидромоторов они могут развивать крутящий момент 3,5…16,8 кН·м.

В радиально-поршневых насосах(рис. 11.12) ротор 1 расположен эксцентрично относительно статора 2. в роторе просверлены радиальные цилиндры. Поршни 3 при вращении ротора совершают в цилиндрах возвратно-поступательное движение, скользя своими сферическими головками по внутренней поверхности статора 2. Ротор вращается на распределительном неподвижном валу 4, в теле которого просверлены всасывающий 5 и нагнетательный 6 каналы.

Рис.11.12

При вращении ротора по часовой стрелке поршни на дуге АВС, двигаясь от центра к периферии, заполняют свои рабочие камеры жидкостью. На дуге СДА поршни перемещаются к центру, вытесняя жидкость. Таким образом, процессы заполнения и вытеснения совмещены с переносом.

Для увеличения подачи радиально-поршневые насосы выполняют многорядными, оси поршней в этом случае располагают в параллельных плоскостях. Число поршней принимают нечетным: 5, 7, 9. конструктивно эти насосы выполняют как нерегулируемые, так и регулируемые. Подача регулируется изменением эксцентриситета е.

Радиально-поршневые насосы развивают давление до 50 МПа, КПД их 0,7…0,9.

В настоящее время выпускают высокомоментные радиально-поршневые гидромоторы, которые создают номинальный крутящий момент от 1,5 до 30 кН·м при давлении 10 МПа и частоте вращения 3…196 об/мин и .

Аксиально-поршневые насосы.Аксиально-поршневые насосы и гидромоторы отличаются наибольшей компактностью и наименьшей массой. Они способны быстро изменять частоту вращения. Все это обусловило их широкое применение в качестве регулируемых и нерегулируемых насосов и гидромоторов для гидроприводов, обслуживающих подвижные комплексы машин и следящие гидроприводы большой точности.

По кинематическим схемам, положенным в основу конструкций, аксиально-поршневые гидромашины разделяют на гидромашины с наклонным диском и с наклонным блоком.

Наиболее простым является аксиально-поршневой насос с наклонным диском (рис.11.13а). При вращении ведущего вала 6 приводится во вращение блок цилиндров 3. В цилиндрах совершают возвратно-поступательное движение поршни, прижимаемые пружинами (в режиме насоса) или давлением жидкости к поверхности наклонного диска 5 (при работе в режиме гидродвигателя). Наклонный диск 5 не вращается и устанавливается под углом к вертикали. Торцевая часть вращающего блока цилиндров прижимается к неподвижному распределительному устройству 1. Торцевой распределитель имеет два серповидных окна: А и Б (рис.11.13б), одно из которых соединяется с всасывающей, другое - с нагнетательной линиями. Рабочие камеры цилиндров сообщаются с серповидными окнами через отверстия 7.

У этих насосов значительны контактные силы в месте соприкосновения головки поршня с диском, поэтому снижается КПД. Рост контактных нагрузок можно ограничить назначением угла наклона диска не более =15…18^о.

а

б

Рис. 11.13

Регулирование подачи насоса с наклонным диском и его реверсирование осуществляются изменением угла влево или вправо от вертикали. При реверсировании всасывающая и нагнетательная линии, естественно, поменяются местами.

Схема аксиально-поршневого насоса с наклонным блоком показана на рис. 11.13б. Ведущий вал 5 через валик с двойным несиловым карданным шарниром передает вращение блоку цилиндров 2. основное усилие от сил давления жидкости на поршни переходит на блок цилиндров от фланца 4, установленного на ведущем валу, через шатуны 6, шарнирнозакрепленные на фланце и поршнях.

Поршни при вращении ведущего вала совершают сложное движение, вращаются вместе с блоком цилиндров и совершают возвратно-поступательное движение в цилиндрах. При этом происходят процессы всасывания и нагнетания рабочей жидкости. Кинематической основой аксиально-поршневых гидромашин является кривошипно-шатунный механизм.

Угол наклона блока ограничивается только конструктивными соображениями; = 25…30° для насосов, = 40° для гидромоторов.

Иногда насос и гидромотор объединяют в одном агрегате.

Промышленность выпускает аксиально-поршневые насосы с давлением 5…25 МПа; гидромоторы с крутящим моментом 6…1170 Н·м при давлении 5…25 МПа.

Раздел 3

ГидравлическиЙ привод

Классификация

Гидравлическим приводом принято называть комплекс устройств для передачи механической энергии и преобразования движения посредством жидкости.

Мы знаем, что удельная энергия жидкости выражается зависимостью

,

где z – удельная потенциальная энергия положения, или геометрический напор; - удельная потенциальная энергия давления, или пьезометрический напор; - удельная кинетическая энергия, или скоростной напор.

Передачу энергии жидкости можно осуществлять, изменяя любой из членов написанного выражения.

Энергией положения в гидроприводах обычно пренебрегают, поскольку разность высот z между отдельными элементами гидросистемы малы.

Если в гидроприводе используется потенциальная энергия давления жидкости, то гидропривод называют объемным, т.к. в нем применяют объемные гидромашины; если используется кинетическая энергия жидкости, то это будет гидродинамическая передача.

Объемный гидропривод

Функциональная схема

Объемный гидропривод представляет собой совокупность объемных гидромашин, гидроаппаратуры, гидролиний (трубопроводов) и вспомогательных устройств, предназначенных для передачи энергии и преобразования движения посредством жидкости.

К числу гидромашин относятся насосы и гидродвигатели, которых может быть несколько. Гидроаппаратура – это устройства управления гидроприводом, при помощи которых он регулируется, а также средства защиты его от чрезмерно высоких и низких давлений жидкости. К гидроаппаратуре относятся дроссели, клапаны разного назначения и гидрораспределители – устройства для изменения направления потока жидкости. Вспомогательными устройствами служат кондиционеры рабочей жидкости, обеспечивающие ее качество и состояние. Это различные фильтры и центрифуги, теплообменники (нагреватели и охладители жидкости), гидроемкости, а также гидроаккумуляторы. Перечисленные элементы связаны между собой гидролиниями, по которым движется рабочая жидкость. Функциональная схема представлена на рис.13.1.

Рис.13.1

По виду источника энергии объемные гидроприводы разделяют на три вида.

1. Насосный гидропривод – гидропривод, в котором рабочая жидкость подается в гидродвигатель объемным насосом, входящим в состав этого гидропривода. Он применяется наиболее широко. По характеру циркуляции рабочей жидкости насосные гидроприводы разделяют на гидроприводы с замкнутой циркуляцией жидкости (жидкость от гидродвигателя поступает во всасывающую линию насоса) и гидроприводы с разомкнутой циркуляцией (жидкость от гидродвигателя поступает в гидроемкость). Мобильные машины в основном оборудованы гидроприводом с разомкнутой циркуляцией жидкости.

2. Аккумуляторный гидропривод, в котором рабочая жидкость подается в гидродвигатель от предварительно заряженного гидроаккумуятора. Такие гидроприводы используют в системах с кратковременным рабочим циклом или с ограниченным числом циклов.

3. Магистральный гидропривод, в котором рабочая жидкость поступает в гидродвигатель из гидромагистрали. Давление рабочей жидкости в гидромагистрали создается насосной станцией, состоящей из одного или нескольких насосов и питающей несколько гидроприводов.