Чебан В.Г. Гидравлические машины и гидроприводы
Подождите немного. Документ загружается.
ГИДРАВЛИЧЕСКИЕ МАШИНЫ И ГИДРОПРИВОДЫ
Глава 1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ГИДРАВЛИЧЕСКИХ МАШИНАХ
1.1. Основные определения. Классификация объемных гидромашин
К гидравлическим машинам относится обширный круг машин, механизмов
и устройств, предназначенных для создания или использования потока жидкой
среды как носителя энергии, главным образом, это насосы, гидродвигатели и
гидропреобразователи. Однако часто в это понятие включают и гидропередачи.
Последние являются совокупностью насосов и гидродвигателей, соединенных
между собой определенным образом в рамках единой системы, служащей для
передачи и преобразования энергии с помощью жидкой среды.
Все гидромашины – насосы, гидродвигатели, а также гидропередачи – по
принципу действия делят на два вида: динамические и объемные.
Насос – как динамический, так и объемный – представляет собой машину
для создания потока жидкой среды. В динамическом насосе жидкая среда
перемещается под силовым воздействием на нее в камере, постоянно
сообщающейся со входом и выходом насоса. Для объемного насоса характерным
является то, что жидкая среда в нем перемещается путем периодического
изменения объема занимаемой ею камеры, попеременно сообщающейся со
входом и выходом насоса.
Гидродвигатель служит для преобразования энергии, обратного тому,
которое имеет место в насосах, т. е. для преобразования энергии потока жидкой
среды в энергию выходного звена. Динамические гидродвигатели представлены в
технике различного рода гидротурбинами, а объемные – гидроцилиндрами,
поворотными гидродвигателями и гидромоторами. Гидроцилиндр, как известно,
это объемный гидродвигатель с возвратно-поступательным движением выходного
звена – штока или плунжера. Поворотный гидродвигатель представляет собой
объемную гидромашину с ограниченным поворотным движением выходного
звена – вала. Гидротурбина и гидромотор – это гидродвигатели с неограниченным
вращательным движением выходного звена, т. е. вала.
Для рабочего процесса динамических гидромашин характерными являются
большие скорости движения их рабочих органов (а, значит, и жидкой среды). В то
же время в объемных гидромашинах большие скорости рабочих органов (и
жидкой среды) не обязательны, так как главную роль в их рабочем процессе
играет давление жидкой среды.
Объемные насосы по характеру движения рабочих органов разделяют на
роторные, крыльчатые и возвратно-поступательные. Роторным называют
объемный насос с вращательным или вращательным и возвратно-поступательным
движением рабочих органов независимо от характера движения ведущего звена
насоса. Крыльчатые насосы отличает возвратно-поворотное движение, а
возвратно-поступательные насосы – прямолинейное возвратно-поступательное
движение рабочих органов независимо от характера движения ведущего звена.
По рассматриваемому признаку роторные насосы бывают роторно-
поворотными (с вращательным и возвратно-поворотным движением рабочих
органов), роторно-поступательными – с вращательным и возвратно-
поступательным движением рабочих органов и роторно-вращательными (с
вращательным движением рабочих органов).
В зависимости от направления перемещения жидкой среды в группе
роторно-вращательных насосов выделяют:
– зубчатые насосы, в которых перемещение жидкой среды осуществляется в
плоскости, перпендикулярной к оси вращения рабочих органов;
– винтовые – с перемещением жидкой среды вдоль оси вращения рабочих
органов.
По виду рабочих органов роторно-поступательные насосы делятся на
шиберные (с рабочими органами в виде шиберов) и роторно-поршневые (с
рабочими органами в виде поршней или плунжеров).
1.2. Основные технические показатели объемных гидромашин
Объемная подача насоса Q – это отношение объема подаваемой жидкой
среды ко времени.
Теоретическая подача насоса Q
т
– представляет собой сумму подачи и
объемных потерь насоса.
Рабочий объем насоса q
0
– это разность наибольшего и наименьшего
значений замкнутого объема за оборот или двойной ход рабочего органа насоса.
Напор насоса H – величина, определяемая зависимостью
g
p
H
,
где р – давление насоса; ρ – плотность жидкой среды; g – ускорение свободного
падения.
При решении практических задач напор насоса часто определяют по
выражению
gg
рр
zzH
нкнк
нк
2
22
, 1.1
или по формуле
g
z
g
рр
H
нквакман
2
22
, 1.2
где z
к
и z
н
– высота центра тяжести сечения выхода и входа в насос; р
к
и р
н
–
давление на выходе и на входе в насос; υ
к
и υ
н
– скорость жидкой среды на выходе
и на входе в насос; р
ман
и р
вак
– давление на выходе и вакуум на входе в насос; Δz –
расстояние по вертикали между точкой подключения вакуумметра и центром
манометра.
Напор жидкой среды Н
гм
, воспринимаемый гидромотором, вычисляется по
выражению (1.1), с той, однако, разницей, что вход считается выходом, а выход –
входом.
Перепад давления в гидромоторе
21
ррр
гм
, 1.3
или
гмгм
Нgр
, 1.4
где р
1
и р
2
– давление на входе и выходе гидромотора, Па.
Теоретическая (идеальная) подача жидкой среды определяется
геометрическими размерами и частотой вращения (скоростью движения) рабочих
органов, а также конструктивными факторами:
nqQ
от
, 1.5
где q
0
– рабочий объём насоса; n – частота вращения вала насоса.
Полезная мощность насоса N
п
– это мощность, сообщаемая насосом
подаваемой жидкой среде,
QHgQpN
п
. 1.6
Мощность, потребляемая насосом, вычисляется по формуле
MN
, 1.7
где М – крутящий момент на валу насоса; ω – угловая скорость вращения
вала.
Мощность насоса N больше полезной мощности N
п
вследствие неизбежных
потерь внутри насоса. Эффективность конструкции определяется КПД насоса –
отношением полезной мощности к мощности насоса:
M
Qp
M
QHg
N
N
п
. 1.8
Из выражений (1.6) и (1.8) следует, что
QpQHg
N
. 1.9
Зависимость (1.9) дает возможность подобрать двигатель для привода
насоса и рассчитать мощность, необходимую для его работы.
Для гидромоторов выражения для мощности несколько иные.
Полезная мощность гидромотора
гмп
MN
, 1.10
где М
г м
– момент на выходном звене гидромотора; ω – угловая скорость
выходного звена – вала.
Мощность гидромотора
QрQHgN
гмгм
, 1.11
где Δр
гм
– перепад давлений в гидромоторе из выражения (1.4).
Объемный расход Q гидромотора всегда больше, чем теоретический
(идеальный) расход Q
т
, так как в отличие от насоса объемные потери
гидромотора направлены в ту же сторону, что и основной поток жидкой среды.
Поэтому объемный КПД гидромотора выразится следующим образом:
утт
тт
гм.о
qQ
Q
Q
Q
, 1.12
где q
ут
– объемные потери в гидромоторе (утечки).
КПД гидромотора представляет собой отношение
Qр
М
N
N
гм
гмп
гм
. 1.13
Частота вращения n вала гидромотора может быть вычислена по формулам
(1/5) и (1.12), а именно:
гм.о
о
q
Q
n
. 1.14
Крутящий момент М на валу гидромотора:
– теоретический
2
огм
т
qр
М
, 1.15
– действительный
гм.м
огм
qр
M
2
, 1.16
где η
м.гм
– механический КПД гидромотора.
Для гидроцилиндров мощность вычисляют по формуле (1.11), полезную
мощность находят из выражения
RN
п
, 1.17
где R – усилие на штоке; υ – скорость штока.
КПД гидроцилиндра
N
R
N
N
п
ц
. 1.18
Потери мощности в гидромашинах принято подразделять на три вида и
оценивать соответствующим КПД. Для насосов, например, различают:
– гидравлический КПД η
г
, являющийся отношением полезной мощности
насоса к сумме полезной мощности и мощности, затраченной на преодоление
гидравлических сопротивлений в насосе;
– механический КПД η
м
– это величина, выражающая относительную долю
механических потерь в насосе;
– объемный КПД η
о
– отношение полезной мощности насоса к сумме
полезной мощности и мощности, потерянной с утечками.
КПД гидромашины представляет собой произведение трех вышеуказанных
КПД:
омг
. 1.19
Аналогичные определения могут быть даны для соответствующих КПД
гидродвигателей.
ПРИМЕРЫ
1. Насос подает воду ( = 1000 кг/м
3
) по трубопроводу диаметром d = 150
мм на высоту h = 30 м (рис. 1). Определить КПД насоса, если потребляемая им
мощность N = 9 кВт, полный коэффициент сопротивления трубопровода , а
подача насоса Q = 72 м
3
/ч.
Решение. Секундная подача насоса:
020
3600
72
,Q
м
3
/с = 20 л/с.
Средняя скорость жидкости в
трубопроводе:
131
150143
02044
22
,
,,
,
d
Q
м/с.
Потери напора:
951
8192
131
30
2
22
,
,
,
gd
l
h
n
м.
Напор насоса:
Рис. 1
953195130 ,,hhH
n
м.
Полезная мощность насоса:
626802095318191000 ,,,QHgN
n
Вт.
КПД насоса:
6960
9000
6268
,
N
N
n
Глава 2. ПОРШНЕВЫЕ НАСОСЫ
2.1. Устройство, рабочий процесс, классификация поршневых насосов
К поршневым насосам относят возвратно-поступательные насосы, у
которых рабочие органы выполнены в виде поршней. Весьма распространенной
разновидностью поршневых насосов являются насосы плунжерного типа,
применяемые, например, в качестве топливных насосов высокого давления в
двигателях внутреннего сгорания.
Поршневые насосы классифицируют:
– по числу поршней: одно-, двух-, трех- и многопоршневые;
– по организации процессов всасывания и нагнетания: одно-,
двухстороннего и дифференциального действия;
– по кинематике приводного механизма: насосы с кривошипно-шатунным
механизмом, кулачковые и прямодействующие;
– по другим признакам – быстроходности, подаче и т. д.
Наиболее простым является поршневой насос одностороннего действия с
кривошипно-шатунным механизмом (рис. 2). В нем для вытеснения жидкости
используется движение поршня лишь в одну сторону. При движении поршня
вправо объем замкнутой части цилиндра возрастает, что приводит к
возникновению в ней вакуума, под действием которого открывается
всасывающий клапан 3 и жидкость заполняет цилиндр 1, следуя за поршнем 2.
При обратном ходе поршня (справа налево) объем замкнутой части цилиндра
уменьшается, давление при этом резко возрастает, вследствие чего открывается
нагнетательный клапан 4 и жидкость, вытесняемая поршнем, поступает в
напорный трубопровод.
Рис. 2
Насос двухстороннего действия (рис. 3) лишен
наиболее существенного недостатка насоса
одностороннего действия – прекращение подачи в
период всасывания. Вытеснение жидкости
происходит при движении поршня в обе стороны.
При движении поршня вправо происходит
всасывание жидкости в левую рабочую камеру и
нагнетание из правой рабочей камеры. При
движении поршня влево процессы в камерах насоса
меняются на обратные.
Рис. 3
Поршневой насос дифференциального действия (рис. 4) конструктивно
отличается от описанного выше насоса двухстороннего действия тем, что
всасывающий трубопровод подводится только к левой
камере цилиндра насоса, а на выходе из правой камеры
отсутствует нагнетательный клапан. Процесс
всасывания происходит так же, как и в насосе
одностороннего действия, а процесс вытеснения
характерен тем, что жидкость поступает одновременно в
нагнетательный трубопровод и в правую рабочую
камеру. Всасывание жидкости в левую камеру
сопровождается вытеснением жидкости из правой
камеры. Таким образом, подача осуществляется за
двойной ход поршня, а всасывание – за один его ход.
Рис. 4
2.2. Подача поршневых насосов. Графики подачи
Теоретическая (идеальная) подача насоса определяется по его рабочему
объему и частоте вращения:
nqQ
от
.
Если п – частота вращения в минуту, то секундная теоретическая подача
60
nq
Q
o
т
.
Действительная подача меньше теоретической вследствие утечек жидкости
в сопряжениях деталей и уплотнениях насоса, некоторого запаздывания открытия
и закрытия клапанов, выделения воздуха из жидкости под действием вакуума:
o
o
nq
Q
60
, (2.1)
где η
о
< 1 – объемный КПД.
Рабочий объем q
o
определяется следующим образом:
– для насоса одностороннего действия (рис. 2):
hSq
o
, (2.2)
где S – площадь поперечного сечения поршня;
rh 2
– ход поршня (r – радиус
кривошипа);
– для насоса двухстороннего действия (рис. 3):
hSShSShSq
шшo
2
, (2.3)
где S
ш
– площадь сечения штока;
– для насоса дифференциального действия (рис. 4):
hShSShSShSq
шшo
. (2.4)
Зависимость перемещения поршня х от угла поворота кривошипа (рис. 2)
приближенно описывается выражением
cosrx 1
. (2.5)
Скорость перемещения поршня
sinr
dt
d
sinr
dt
dx
п
, (2.6)
где ω – угловая скорость кривошипа.
Ускорение поршня, а, следовательно, и жидкости, следующей за ним
cosr
dt
d
а
п
п
2
. (2.7)
Текущее значение теоретической подачи
sinSrSQ
птек
. (2.8)
Формула (2.8) показывает, что мгновенная подача насоса является
величиной переменной: она изменяется по синусоидальному закону. На рис. 5
приведены для примера графики подачи поршневых насосов: а) одностороннего
действия; б) двухстороннего действия; в) трехпоршневого одностороннего
действия со смещением фаз рабочих циклов на 120°.
Из приведенных графиков видно, что наименьшей неравномерностью
подачи обладают трехпоршневые насосы одностороннего действия, наибольшей –
однопоршневые насосы одностороннего действия.
Неравномерность подачи насоса
оценивается коэффициентом
неравномерности
т
minmax
Q
QQ
, (2.9)
где Q
max
и Q
min
– соответственно
максимальная и минимальная
мгновенные подачи насоса.
Рис. 5
Для однопоршневого насоса одностороннего действия Q
min
= 0 , Q
max
= r·ω·S,
а теоретическая подача
60
2
6060
nrSnhS
nq
Q
o
т
.
Подставляя значения Q
max
, Q
min
и Q
т
в формулу (2.9) и принимая во
внимание то, что угловая , скорость
30
n
, = после преобразований получаем
δ = π = 3,14.
Для насоса двухстороннего действия Q
max
= r·ω·S, Q
min
= 0 (рис. 5), а
теоретическая подача
60
22
60
2
60
nrSSnhSSnq
Q
шшo
т
.
Если пренебречь площадью сечения штока S
ш
, которая значительно меньше
площади поперечного сечения поршня S, то после подстановки значений Q
max
, Q
min
и Q
т
в формулу (2.9) и преобразований получим δ = 0,5·π = 1,57.
Аналогично можно показать, что для трехпоршневого насоса
одностороннего действия со смещением фаз рабочих циклов на 120° коэффициент
неравномерности подачи δ = 1,05.
ПРИМЕРЫ
1. Поршневой насос двухстороннего действия (рис. 3) диаметром цилиндра
D = 280 мм, ходом поршня h = 200 мм и диаметром штока d
ш
= 120 мм заполняет
бак вместимостью V = 1,6 м
3
за 1,5 мин. Определить объемный КПД насоса, если
частота вращения кривошипа п = 50 об/мин.
Решение. Рабочий объем насоса:
hdDhSSq
шшo
22
2
4
2
4220221822
4
143
22
,,,,
,
л.
Теоретическая подача насоса:
718
60
50422
60
,
,
nq
Q
o
т
л/с.
Подача насоса:
817
6051
1600
,
,T
V
Q
л/с.
Объемный КПД насоса:
950
718
817
,
,
,
Q
Q
т
о
.
Глава 3. РОТОРНЫЕ НАСОСЫ И ГИДРОМОТОРЫ
3.1. Общие сведения
Роторным называется объемный насос с вращательным и возвратно-
поступательным движением рабочих органов независимо от характера движения
ведущего звена насоса. К ним относятся шестеренные, винтовые, пластинчатые,
роторно-поршневые и другие насосы.
Особый характер процессов всасывания и вытеснения жидкой среды в
роторных насосах, перенос рабочих камер с жидкостью из полости всасывания в
полость нагнетания позволяет отказаться в конструкции этих насосов от
всасывающих и нагнетательных клапанов.
Роторный насос, как правило, состоит из статора (неподвижного корпуса),
ротора, жестко связанного с ведущим валом насоса, и вытеснителей. Рабочий
процесс роторного насоса можно разделить на три этапа: 1) заполнение рабочих
камер жидкостью из полости всасывания; 2) замыкание рабочих камер и перенос
их из полости всасывания в полость нагнетания; 3) вытеснение жидкости из
рабочих камер в полость нагнетания.
Конструктивные особенности роторных насосов, их рабочий процесс
позволяют указать на ряд характерных свойств:
– обратимость – возможность переводить насос в режим гидромотора;
– значительная быстроходность (частота вращения ротора может достигать
5000...7000 об/мин);
– высокая равномерность подачи, обусловленная большим количеством
рабочих камер;
– сравнительно малая подача и высокое давление;
– самовсасывание – способность создавать вакуум, достаточный для
подъема жидкой среды во всасывающем трубопроводе до уровня расположения
насоса (разумеется, в пределах допускаемой высоты всасывания).
Роторные насосы и гидромоторы могут быть регулируемыми, если в их
конструкции предусмотрена возможность изменять рабочий объем, или
нерегулируемыми.
3.2. Устройство, рабочий процесс и основные параметры
роторных гидромашин
3.2.1. Шестеренные гидромашины. Шестеренные гидромашины, особенно
шестеренные насосы (рис. 6), в силу простоты конструкции получили широкое
распространение. Шестеренным называют зубчатый насос с рабочими органами в
виде шестерен, обеспечивающих геометрическое
замыкание рабочей камеры и передающих
крутящий момент. В простейшем случае это пара
шестерен, находящихся в зацеплении,
установленная в плотно охватывающем корпусе (с
малыми радиальными и торцевыми зазорами). При
вращении шестерен жидкость, заполняющая их
впадины, переносится по периферии из полости
всасывания в полость нагнетания, где при
вступлении очередной пары зубьев в зацепление происходит вытеснение
жидкости, перенесенной во впадине одной шестерни зубом другой шестерни.
Рис. 6
Рабочий объем шестеренной гидромашины:
bmDbzmq
нo
22
2
, (3.1)
где т – модуль зацепления; z – число зубьев; b – ширина шестерни; D
н
– диаметр
начальной окружности.
Подача шестеренного насоса:
ooo
nbzmnqQ
2
2
, (3.2)
где η
о
– объемный КПД, η
о
= 0,70...0,95.
Частоту вращения вала и крутящий момент шестеренного гидромотора
можно рассчитать по формулам (1.14) и (1.16).
3.2.2. Винтовые гидромашины. Они представлены в технике, главным
образом, насосами.
К винтовым относят роторно-
вращательные насосы с
перемещением жидкой среды вдоль
оси вращения рабочих органов.
Наибольшее распространение
получили трехвинтовые насосы с
циклоидальным зацеплением (рис.
7), отличающиеся высоким напором,
равномерностью подачи,
бесшумностью работы.
Рис. 7
Трехвинтовой насос имеет три винта, установленных на цапфах
параллельно друг другу в плотно охватывающем корпусе. Средний винт –
ведущий, два других винта, находящиеся с ним в зацеплении, – ведомые. Торцы
всех винтов открываются с одной стороны во всасывающую полость насоса, с
другой – в нагнетательную. При вращении ведущего винта жидкость,
заполняющая его впадины, подобно гайке, удерживаемой от вращения на
вращающемся винте, перемещается в осевом направлении от всасывающей
полости к нагнетательной. Роль гребенки, удерживающей жидкость от вращения
вместе с ведущим винтом, играют два других винта-замыкателя.
При повороте ведущего винта насоса на один оборот жидкость,
заполняющая пазы всех винтов, перемещается вдоль их осей на расстояние
одного шага винта τ. Площадь поперечного сечения каналов, образованных
винтовыми пазами, равна разности площади сечения S расточки корпуса и
площади сечения S
в
винтов.
Рабочий объем винтового насоса:
вo
SSq
. (3.3)
Рабочий объем можно вычислить по следующим соотношениям:
– для насоса с двумя одинаковыми винтами
22
16
3
dDSSq
вo
, (3.4)
где D и d – соответственно наружный и внутренний диаметры винта;
–для насоса с тремя одинаковыми винтами