Подача поршневых (плунжерных) насосов

Лекция 5

Объемные насосы

Основными представителями объемных насосов являются поршневые, плунжерные и ротационные.

Поршневые и плунжерные насосы отличаются друг от друга конструкцией рабочих органов вытеснения. В поршневых насосах это резинометаллический поршень, совершающий возвратно-поступательное перемещение в цилиндровой втулке, образующих рабочую камеру. При этом разобщение полости высокого давления (нагнетания) от полости низкого (всасывания) обеспечивается за счет эластичного уплотнения поршня контактирующего с хорошо обработанной поверхностью цилиндровой втулки.

В плунжерных насосах рабочим органом вытеснения является плунжер – гладкий цилиндр (скалка), совершающий возвратно-поступательное перемещение в рабочей камере. Разобщение полости нагнетания от полости всасывания обеспечивается комплектом неподвижных уплотнительных элементов, закрепленных в гидроблоке и герметично прилегающих к наружной поверхности плунжера.

Работа насоса заключается в возвратно-поступательном движении поршня (плунжера) в рабочей камере, попеременно сообщающейся со всасывающей (подводящей) жидкость линией и нагнетательной (отводящей) линией. Переключение со всасывания на нагнетание (и наоборот) производится автоматически, самодействующими всасывающими и нагнетательными клапанами, расположенными в передней части рабочей камеры (в насосах одностороннего действия) или с обеих сторон от рабочей камеры в насосах двухстороннего действия.

Рабочая камера, поршни (плунжеры), клапаны, элементы подвода и отвода жидкости составляют гидравлическую часть насоса.

Приводная часть насоса жестко соединена с гидроблоком гидравлической части и закреплена вместе с ней на одной раме. Приводная часть обеспечивает преобразование механической энергии, подводимой к насосу от внешнего источника – двигателя, трансмиссии в возвратно-поступательное перемещение поршня (плунжера) насоса, передающего полученную энергию жидкости. Кроме этого приводная часть является редуктором, которая обеспечивает снижение частоты вращения и увеличения крутящего момента эксцентрикового вала. Приводная часть состоит из станины, в которой установлены на подшипниках качения трансмиссионный и эксцентриковый валы, находящиеся в зацеплении посредством косозубой или шевронной зубчатой передачи. Преобразование вращательного движения в возвратно-поступательное производится посредством кривошипно-шатунного механизма (КШМ). Основные элементы КШМ – шатуны, кривошипы, ползуны (крейцкопфы), пальцы ползунов. Шатуны своими большими головками соединены с кривошипами (эксцентриками) эксцентрикового вала посредством подшипников, а малые головки соединены с ползунами, размещенными в направляющих станины, посредством пальцев. При вращении эксцентрикового вала шатуны совершают сложное вращательно-колебательное и линейное возвратно-поступательное движение. Малая головка шатуна передает при этом усилие ползуну посредством пальца, а последний штоку поршня.

Конструкция поршневых (плунжерных) насосов.

Классификация поршневых (плунжерных) насосов:

1. По способу привода – с КШМ и без КШМ

2. По назначению и роду перекачиваемой жидкости – для воды, глинистого раствора, кислот и т.п.

3. По расположению цилиндров в пространстве – горизонтальные, вертикальные.

4. По конструкции рабочих органов – поршневые и плунжерные

5. По числу цилиндров – одно, двух, трех цилиндровые

6. По создаваемому давлению – высокого, среднего, низкого

7. По кратности действия – одностороннего, двухстороннего действия и дифференциальные

В насосах одностороннего действия вытеснение жидкости происходит в одну сторону, в насосах двустороннего действия и дифференциальных вытеснение жидкости происходит при движении поршня в обе стороны.

Индикаторная диаграмма

Изменение давления в рабочей камере насоса изображается индикаторной диаграммой в координатах Р- S

Индикаторная диаграмма имеет вид прямоугольника 1-2-3-4. При движении поршня в право давление в полости насоса перед поршнем (Р₁) ниже атмосферного (Ра), что объясняется расположением уровня жидкости в приемной емкости ниже оси цилиндров насоса и наличием гидравлических сопротивлений во всасывающем коллекторе.

В точке 1 поршень начинает двигаться в обратную сторону (влево). При этом всасывающий клапан закрывается, а давление в полости резко возрастает до величины Р₂, превышающей давление в начале нагнетательной линии Рк (точка 2). Это превышение обусловлено действием веса нагнетательного клапана и натяжением пружины. При дальнейшем перемещении, жидкость вытесняется в нагнетательный трубопровод до точки 3 (крайнее положение поршня). При изменении направления движения поршня, нагнетательный клапан закрывается, после чего открывается всасывающий клапан и т.д.

Действительная диаграмма отличается от теоретической наличием различных факторов:

-наличием инерционных сил жидкости в трубопроводе и компенсаторе, передающиеся в рабочую камеру;

-колебание клапанов из-за отклонений точности изготовления различных элементов клапана, жесткости пружины.

-линии подъема 1-2 и спада 3-4 нестрого вертикальны из-за некоторой сжимаемости жидкости, наличие в ней пузырьков воздуха, газа, упругой деформации элементов привода и цилиндро- поршневой группы.

Действительные индикаторные диаграммы снимают с помощью индикаторов.

Примеры действительных диаграмм:

1 - вместе с жидкостью по линии а сжимается воздух. Подача насоса умень­шается в пропорции к отношению длин l₁ и l, так как на отрезке с происходит сжатие воздуха;

2 - в рабочей камере вследствие неправильной конструкции образуется газовый мешок. Всасывающий клапан открывается после того, как газ в мешке расширится по линии b, вследствие чего также снижается подача насоса;

3 - запаздывание с посадкой всасывающего клапана, пропускающего жидкость на отрезке l , в результате чего задерживается возрастание давления в рабочей камере;

4 - при запаздывании с закрытием нагнетательного клапана задерживаются спад давления в цилиндре и открытие всасывающего клапана;

5,6 – неплотность клапанов. Перетекание жидкости особенно заметно окало мертвых точек на участках d диаграмм;

7 - насас рабатает без пневмокомпенсаторов или при их не эффективном действии (недостаточный объем и давление газа в компенсаторе);

8 – жидкость неравномерно подходит к насосу при давлении выше атмосферного.

Лекция 5

Объемные насосы

Основными представителями объемных насосов являются поршневые, плунжерные и ротационные.

Поршневые и плунжерные насосы отличаются друг от друга конструкцией рабочих органов вытеснения. В поршневых насосах это резинометаллический поршень, совершающий возвратно-поступательное перемещение в цилиндровой втулке, образующих рабочую камеру. При этом разобщение полости высокого давления (нагнетания) от полости низкого (всасывания) обеспечивается за счет эластичного уплотнения поршня контактирующего с хорошо обработанной поверхностью цилиндровой втулки.

В плунжерных насосах рабочим органом вытеснения является плунжер – гладкий цилиндр (скалка), совершающий возвратно-поступательное перемещение в рабочей камере. Разобщение полости нагнетания от полости всасывания обеспечивается комплектом неподвижных уплотнительных элементов, закрепленных в гидроблоке и герметично прилегающих к наружной поверхности плунжера.

Работа насоса заключается в возвратно-поступательном движении поршня (плунжера) в рабочей камере, попеременно сообщающейся со всасывающей (подводящей) жидкость линией и нагнетательной (отводящей) линией. Переключение со всасывания на нагнетание (и наоборот) производится автоматически, самодействующими всасывающими и нагнетательными клапанами, расположенными в передней части рабочей камеры (в насосах одностороннего действия) или с обеих сторон от рабочей камеры в насосах двухстороннего действия.

Рабочая камера, поршни (плунжеры), клапаны, элементы подвода и отвода жидкости составляют гидравлическую часть насоса.

Приводная часть насоса жестко соединена с гидроблоком гидравлической части и закреплена вместе с ней на одной раме. Приводная часть обеспечивает преобразование механической энергии, подводимой к насосу от внешнего источника – двигателя, трансмиссии в возвратно-поступательное перемещение поршня (плунжера) насоса, передающего полученную энергию жидкости. Кроме этого приводная часть является редуктором, которая обеспечивает снижение частоты вращения и увеличения крутящего момента эксцентрикового вала. Приводная часть состоит из станины, в которой установлены на подшипниках качения трансмиссионный и эксцентриковый валы, находящиеся в зацеплении посредством косозубой или шевронной зубчатой передачи. Преобразование вращательного движения в возвратно-поступательное производится посредством кривошипно-шатунного механизма (КШМ). Основные элементы КШМ – шатуны, кривошипы, ползуны (крейцкопфы), пальцы ползунов. Шатуны своими большими головками соединены с кривошипами (эксцентриками) эксцентрикового вала посредством подшипников, а малые головки соединены с ползунами, размещенными в направляющих станины, посредством пальцев. При вращении эксцентрикового вала шатуны совершают сложное вращательно-колебательное и линейное возвратно-поступательное движение. Малая головка шатуна передает при этом усилие ползуну посредством пальца, а последний штоку поршня.

Конструкция поршневых (плунжерных) насосов.

Классификация поршневых (плунжерных) насосов:

1. По способу привода – с КШМ и без КШМ

2. По назначению и роду перекачиваемой жидкости – для воды, глинистого раствора, кислот и т.п.

3. По расположению цилиндров в пространстве – горизонтальные, вертикальные.

4. По конструкции рабочих органов – поршневые и плунжерные

5. По числу цилиндров – одно, двух, трех цилиндровые

6. По создаваемому давлению – высокого, среднего, низкого

7. По кратности действия – одностороннего, двухстороннего действия и дифференциальные

В насосах одностороннего действия вытеснение жидкости происходит в одну сторону, в насосах двустороннего действия и дифференциальных вытеснение жидкости происходит при движении поршня в обе стороны.

Подача поршневых (плунжерных) насосов

Пространство между поршнем, всасывающим и нагнетательным клапанами и крышками цилиндров составляет рабочую камеру. Объем камеры изменяется в зависимости от положения поршня. Максимальный объем камеры V_о состоит из полезного объема цилиндра V (описываемого поршнем при перемещении из одного крайнего положения в другое) и объема вредного пространства между клапанами крышкой цилиндра и поршнем в его крайнем положении при нагнетании, Vвр,

V_о = V+ Vвр

Влияние вредного пространства учитывается коэффициентом вредного пространства:

К = (V+ Vвр)/ V

Для современных поршневых буровых насосов К≈2-5

Подача насосов зависит от геометрических размеров рабочей камеры – ее диаметра, длины хода поршня, а также от частоты перемещения поршня (числа двойных ходов поршня в минуту). Теоретическая подача двухцилиндрового насоса двойного действия:

Qт =(2F-f) S n/30, м³/сек

Где: F – площадь сечения поршня (плунжера), м²

. f – площадь сечения штока, м²

S – длина хода поршня (плунжера), м

S = 2r, r –радиус кривошипа, м

. n – число двойных ходов поршня или частота вращения кривошипа в минуту.

Теоретическая подача насосов одностороннего действия, имеющих i рабочих полостей (цилиндров):

Qт = F S n i/60, м³/сек

Действительная подача меньше теоретической за счет различных объемных потерь:

- утечки от запаздывания закрытия клапанов в момент изменения направления движения поршня

- утечки через уплотнения

- несоответствие числа двойных ходов поршня размерам клапанов и высоте всасывания

- выделение из перекачиваемой жидкости паров растворенного воздуха.

Упомянутые утечки учитываются коэффициентом подачи или объемным КПД (η_о).

η_о = Q/ Qт, η_о≈0,85-0,95.

Подача насоса в течение хода поршня неравномерна. Объясняется это кинематикой работы преобразующего кривошипно-шатунного механизма. На рисунке представлена схема КШМ применяемого в поршневых насосах для преобразования вращательного движения вала в возвратно-поступательное движение поршня.

Путь, проходимый поршнем в зависимости от угла поворота кривошипа может быть определен по формуле:

X =r/(1-cosφ± λ/2sin²φ)

Где: Х – перемещение поршня,м

.r – радиус кривошипа, м

φ – угол поворота, град

λ =r/l ≈0,2

Скорость поршня и ускорение определяются как первая и вторая производные от пути по времени.

U =r ω (sinφ± λ/2 sin2φ)

.а= r ω² (cosφ± λcos2φ)

где: ω = d φ/dt = πn/30 - угловая скорость вращения вала.

Знаки ± соответствуют направлению движения поршня:

(+) к валу (-) от вала

Жидкость в рабочем цилиндре следует за поршнем и подчиняется закону его перемещения, т.е. неравномерность скорости перемещения поршня, изменяющееся по синусоидальному закону от 0 в крайних положениях и максимума в середине хода обуславливает и соответствующую неравномерность подачи. Средняя подача насосов Qт определяется по формулам приведенным выше.

Объем жидкости, подаваемый в каждый данный момент Qмг равен мгновенной скорости поршня, умноженной на его площадь:

Qмг = F U = Fr ω sinφ (Umax = r ω sinφ )

Так, как правая часть выражения отличается от скорости U только постоянным множителем F, то изменение подачи насоса в течение хода поршня графически можно изобразить синусоидой где ординаты будут отражать Qмг:

.а) одноцилиндровый насос одностороннего действия

.б) одноцилиндровый насос двойного действия

.в) двухцилиндровый насос двойного действия

.г) трехцилиндровый насос одностороннего действия

Важный показатель работы поршневых насосов – степень неравномерности его подачи

.m= Q max/Qср

Для одноцилиндрового насоса одностороннего действия

Q max = F r ω = (FS/2)2πn/60= FSπn/60

Qср =F Q max/Qср n/60

.m = Q max/ Qср =π =3,14

Аналогично определяется степень неравномерности подачи насосов других конструктивных схем:

-одноцилиндровый насос двойного действия: m= π/2=1,57

-двухцилиндровый насос двойного действия m= 1,1

-трехцилиндровый насос одностороннего действия m= 1,047

Неравномерность потока жидкости негативно сказывается на приводе насоса и работе гидравлических устройств в данной гидравлической системе (гидродвигатели, клапаны, трубопроводы и т.п.). Для снижения пульсации на всасывающей и нагнетательной линиях устанавливают компенсаторы. Сущность его работы заключается в поглощении излишка жидкости равного Q max-Qср и возвращении его в момент недостатка в манифольд.

Индикаторная диаграмма

Изменение давления в рабочей камере насоса изображается индикаторной диаграммой в координатах Р- S

Индикаторная диаграмма имеет вид прямоугольника 1-2-3-4. При движении поршня в право давление в полости насоса перед поршнем (Р₁) ниже атмосферного (Ра), что объясняется расположением уровня жидкости в приемной емкости ниже оси цилиндров насоса и наличием гидравлических сопротивлений во всасывающем коллекторе.

В точке 1 поршень начинает двигаться в обратную сторону (влево). При этом всасывающий клапан закрывается, а давление в полости резко возрастает до величины Р₂, превышающей давление в начале нагнетательной линии Рк (точка 2). Это превышение обусловлено действием веса нагнетательного клапана и натяжением пружины. При дальнейшем перемещении, жидкость вытесняется в нагнетательный трубопровод до точки 3 (крайнее положение поршня). При изменении направления движения поршня, нагнетательный клапан закрывается, после чего открывается всасывающий клапан и т.д.

Действительная диаграмма отличается от теоретической наличием различных факторов:

-наличием инерционных сил жидкости в трубопроводе и компенсаторе, передающиеся в рабочую камеру;

-колебание клапанов из-за отклонений точности изготовления различных элементов клапана, жесткости пружины.

-линии подъема 1-2 и спада 3-4 нестрого вертикальны из-за некоторой сжимаемости жидкости, наличие в ней пузырьков воздуха, газа, упругой деформации элементов привода и цилиндро- поршневой группы.

Действительные индикаторные диаграммы снимают с помощью индикаторов.

Примеры действительных диаграмм:

1 - вместе с жидкостью по линии а сжимается воздух. Подача насоса умень­шается в пропорции к отношению длин l₁ и l, так как на отрезке с происходит сжатие воздуха;

2 - в рабочей камере вследствие неправильной конструкции образуется газовый мешок. Всасывающий клапан открывается после того, как газ в мешке расширится по линии b, вследствие чего также снижается подача насоса;

3 - запаздывание с посадкой всасывающего клапана, пропускающего жидкость на отрезке l , в результате чего задерживается возрастание давления в рабочей камере;

4 - при запаздывании с закрытием нагнетательного клапана задерживаются спад давления в цилиндре и открытие всасывающего клапана;

5,6 – неплотность клапанов. Перетекание жидкости особенно заметно окало мертвых точек на участках d диаграмм;

7 - насас рабатает без пневмокомпенсаторов или при их не эффективном действии (недостаточный объем и давление газа в компенсаторе);

8 – жидкость неравномерно подходит к насосу при давлении выше атмосферного.