Лекции по гидромашинам и компрессорам (часть 2)
Подождите немного. Документ загружается.
111
работа за один оборот ротора равна
izqp
кинд
или
qp
инд
,
где
q -
суммарный рабочий объем
гидромотора.
С учётом момента сил трения M
T
имеем равенство
(
)
p
2MMqp
Tинд
+= . (10.3)
Введём понятие гидромеханического к. п. д.:
T
инд
ГМ
MM
M
p
p
+
×=
D
h
.
Выражение (10.3) примет следующий вид:
M2pq
ГМ
phD
= . (10.4)
Фактический расход жидкости в гидромоторе Q превышает геометрический qn
вследствие объёмных потерь (перетеканий через зазоры). Объёмный КПД
гидромотора
Q
qn
0
=
h
.
При заданном расходе жидкости частота вращения вала
0
q
Q
n
h
=
. (10.5)
Полученные формулы показывают, что с увеличением рабочего объема за счет числа
камер и кратности действия, во-первых, возрастает крутящий момент при том же
давлении и, во-вторых, достигается снижение частоты вращения вала (при постоянном
расходе жидкости).
§ 10.3. ВИНТОВОЙ ЗАБОЙНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ
Винтовой двигатель, предназначенный для бурения скважин, построен на базе
героторного механизма с гипоциклоидным зацеплением (см. § 8.2) и кинематическим
отношением z
2
/z
1
= 9/10.
В поперечном сечении механизма (рис. 12.5, А - А) имеются десять полостей,
являющихся сечениями рабочих камер (шлюзов), разделенных контактными линиями.
Общая площадь поперечного сечения шлюзов [12]
(
)
[
]
22
2
шл
zer81ze2F +-=
p
,
где e – эксцентриситет; r – радиус зуба зацепления.
Рабочий объём двигателя, так же, как в насосе типа Муано, равен произведению
площади шлюзов на шаг обоймы:
Click here to buy
A
B
B
Y
Y
P
D
F
T
r
a
n
s
f
o
r
m
e
r
2
.
0
w
w
w
.
A
B
B
Y
Y
.
c
o
m
Click here to buy
A
B
B
Y
Y
P
D
F
T
r
a
n
s
f
o
r
m
e
r
2
.
0
w
w
w
.
A
B
B
Y
Y
.
c
o
m
112
TFq
шл
= .
Крутящий момент и частоту вращения ротора можно определить по формулам
(10.4) и (10.5).
Рис. 10.5. Винтовой забойный двигатель [12]:
1 – статор, 2 – ротор, 3 – шарнирное соединение,
4, 7 – радиальные опоры, 5 – корпус шпинделя,
6 – осевая опора, 8 – торцовое уплотнение,
9 – вал шпинделя
Для определения влияния числа заходов винта z
2
на эти показатели
предположим, что габариты двигателя, расход жидкости и перепад давления на шаг
остаются постоянными.
Наибольший диаметр полости статора
(
)
rez2D
1н
+= .
Используя обозначение r/ec
e
= , путём простого преобразования получим
формулу
Click here to buy
A
B
B
Y
Y
P
D
F
T
r
a
n
s
f
o
r
m
e
r
2
.
0
w
w
w
.
A
B
B
Y
Y
.
c
o
m
Click here to buy
A
B
B
Y
Y
P
D
F
T
r
a
n
s
f
o
r
m
e
r
2
.
0
w
w
w
.
A
B
B
Y
Y
.
c
o
m
113
(
)
( )
TDqTDcz
1zc2
41zc
q
2
н0
2
нe2
2
1e
2e
=
ú
û
ù
ê
ë
é
+
+-
=
p
,
которая показывает, что при заданных габаритах D
Н
и T рабочий объём зависит
только от функции q
0
двух величин – параметра и числа заходов винта z
2
. Графики
этой функции и обратной ей величины для 5,0c
e
= приведены на рис. 10.6.
Рис. 10.6. Зависимость единичного крутящего момента и единичной
частоты вращения от кинематического отношения
Кривые графика изображают изменение крутящего момента и частоты вращения
(при выбранных условиях) и наглядно показывают преимущество многозаходного
механизма перед однозаходным в условиях, когда для бурения шарошечным
долотом требуется низкооборотный двигатель с высоким крутящим моментом.
В данном примере крутящий момент при 9z
2
= приблизительно в 4 раза больше, а
частота вращения вала во столько же раз меньше, чем при 1z
2
= .
Двигатель и шпиндель связаны двухшарнирным соединением 3 (см. рис. 10.5).
Функции и устройство шпиндельной секции такие же, как в турбобурах. Резиновая
обойма статора 1 двигателя, привулканизированная к стальному корпусу, выполнена
с начальным натягом по отношению к ротору. Это увеличивает трение в
механизме, но способствует снижению утечки жидкости через щели между статором
и ротором – утечки, которая возрастает по мере износа рабочих поверхностей.
Существует некоторое оптимальное значение натяга, обычно составляющее доли
миллиметров, при котором за время работы двигателя на забое его средняя
эффективность будет наивысшей.
Click here to buy
A
B
B
Y
Y
P
D
F
T
r
a
n
s
f
o
r
m
e
r
2
.
0
w
w
w
.
A
B
B
Y
Y
.
c
o
m
Click here to buy
A
B
B
Y
Y
P
D
F
T
r
a
n
s
f
o
r
m
e
r
2
.
0
w
w
w
.
A
B
B
Y
Y
.
c
o
m
114
Для объяснения зависимости частоты вращения вала от нагрузки формулу (10.5)
представим в следующем виде:
q
QQ
n
D
-
=
.
При постоянном расходе Q и отсутствии утечки ∆Q частота вращения вала
двигателя не зависит от крутящего момента. В этом теоретическом случае двигатель
обладает жёсткой характеристикой. В действительности характеристика M – n
нежёсткая, что свидетельствует о наличии утечки, нарастающей по мере увеличения
M. Это объясняется тем, что вместе с моментом возрастает перепад давления
согласно формуле
1
( )
T
MM
q
2
p +=
p
D
. (10.6)
Под действием внутреннего давления, а также силы инерции вращающегося по
«орбите» ротора, происходит радиальная деформация упругой обоймы статора,
приводящая к образованию зазора, несмотря на первоначальный натяг в паре
ротор – статор. В результате происходит утечка жидкости через зазор
(дополнительно к «работающему» потоку с расходом qn).
Предположим для простаты, что момент сил трения не изменяется. Эксперименты
показывают, что утечки жидкости через зазоры гидравлических машин изменяются
практически пропорционально перепаду давления. Поэтому примем paQ
D
D
=
.
Рис. 10.7. Характеристики винтового двигателя
а – схематизированная, б – действительная
___________
1
∆p
инд
≈ ∆p , так как η
Г
≈ 1.
Click here to buy
A
B
B
Y
Y
P
D
F
T
r
a
n
s
f
o
r
m
e
r
2
.
0
w
w
w
.
A
B
B
Y
Y
.
c
o
m
Click here to buy
A
B
B
Y
Y
P
D
F
T
r
a
n
s
f
o
r
m
e
r
2
.
0
w
w
w
.
A
B
B
Y
Y
.
c
o
m
115
Тогда получим уравнение
( )
ú
û
ù
ê
ë
é
+-=
T
MM
q
a2
Q
q
1
n
p
, (10.7)
с помощью которого и выражения (10.6), а также общих формул мощности
Mn2N
p
=
и КПД pQ/N
D
h
=
можно построить кривые теоретической
схематизированной характеристики двигателя при idemQ
=
(рис. 10.7, а).
Так же, как на кривой теоретической характеристики турбины, точка
экстремального режима (N = N
max
) расположена в середине графика. Максимум
КПД всегда приурочен к левой части кривой характеристики, что соответствует
относительно малым нагрузкам (M
0
< M
Э
).
Допустим, что имеются опытные данные испытания двигателя при расходе Q на
холостом режиме: ∆p
x
, n
max
.
Определим вторичные параметры схематизированной характеристики:
p
D
2
qp
M
x
T
= ;
x
max
p
qnQ
a
D
-
= ;
Tmax
M
a
2
Qq
M -=
p
;
T
max
max
M
M
M = .
Показатели экстремального режима вычислим по формулам:
maxЭ
M
2
1
M = ;
maxmaxЭЭmax
nM
2
nM2N
p
p
== ;
( )
TЭЭ
MM
q
2
p +=
p
D
.
В режиме максимального КПД для принятых условий:
(
)
max
T0
M11MM ++-= ;
( )
T00
MM
q
2
p +=
p
D
;
(
)
max
x0
M1paQ
q
1
n +-=
D
.
Действительные зависимости ∆p и n от M нелинейные вследствие влияния на
утечки и трение таких факторов, как упругость обоймы статора, первоначальный
натяг, характер изменения коэффициента трения в функции удельного давления и
частоты вращения ротора и др. Поэтому линии характеристики не прямые, а
изогнутые (рис. 12.7, б). При этом точка, соответствующая тормозному режиму,
смещается влево, а точка экстремального режима оказывается в правой части
графика.
По мере износа рабочих органов кривые характеристики двигателя изменяются.
Вследствие снижения момента сил трения линия давления сдвигается к оси M, а
возрастание объёмов утечек приводит к постепенному приближению кривой
характеристики M – n к началу координат и к снижению КПД
Click here to buy
A
B
B
Y
Y
P
D
F
T
r
a
n
s
f
o
r
m
e
r
2
.
0
w
w
w
.
A
B
B
Y
Y
.
c
o
m
Click here to buy
A
B
B
Y
Y
P
D
F
T
r
a
n
s
f
o
r
m
e
r
2
.
0
w
w
w
.
A
B
B
Y
Y
.
c
o
m
116
Для пересчёта данных характеристики по расходу можно пользоваться
приведенными приближёнными формулами. Считая, что M
T
и a не меняются,
определим исходные величины
q
paQ
n
x
max
D
-
=
и
Tmax
M
a
2
Qq
M -=
p
для нового значения Q, после чего становятся известными все показатели
экстремального и оптимального режимов.
ГЛАВА 11. ОБЪЁМНЫЙ ГИДРОПРИВОД
§ 11.1. ВИДЫ ОБЪЁМНЫХ ГИДРОПРИВОДОВ
Основные термины и определения объемного гидропривода установлены ГОСТ 17752 -72.
О б ъ е м н ы й г и д р о п р и в о д - совокупность устройств, в число которых входит
один или несколько объемных гидродвигателей, предназначенных для приведения в
движение механизмов и машин давлением рабочей жидкости.
Кроме одного или нескольких источников подачи рабочей жидкости и объемных
гидродвигателей, в гидропривод входят:
г и д р о а п п а р а т ы - устройства для изменения направления потока, либо
поддержания заданного постоянного давления или расхода рабочей жидкости;
г и д р о п р е о б р а з о в а т е л и - объемные гидромашины, предназначенные для
преобразования одного потока рабочей жидкости в поток с другими значениями давления и
скорости;
кондиционеры рабочей жидкости (очистители, тешюобменные аппараты,
воздухоспускные устройства);
г и д р о е м к о с т и (гидробаки, гидро - и пневмогидроаккумуляторы);
г и д р о л и н и и (всасывающая, напорная, сливная, линия управления, дренажная).
Объемные гидроприводы классифицируют по следующим признакам:
1. По и с т о ч н и к у п о д а ч и р а б о ч е й ж и д к о с т и : насосный,
аккумуляторный, магистральный. Наиболее распространен насосный гидропривод, в котором в
качестве источника подачи жидкости используются как объемные насосы, так и
динамические. Часть насосного гидропривода, предназначенная для передачи движения от
приводящего двигателя к машинам и механизмам, называется объемной гидропередачей.
Объемная гидропередача, состоящая из устройств, конструктивно оформленных в одно целое,
называется гидропередачей нераздельного исполнения.
Click here to buy
A
B
B
Y
Y
P
D
F
T
r
a
n
s
f
o
r
m
e
r
2
.
0
w
w
w
.
A
B
B
Y
Y
.
c
o
m
Click here to buy
A
B
B
Y
Y
P
D
F
T
r
a
n
s
f
o
r
m
e
r
2
.
0
w
w
w
.
A
B
B
Y
Y
.
c
o
m
117
Если рабочая жидкость подается в объемный гидродвигатель из гидроаккумулятора,
предварительно заряженного от внешнего источника, то такой гидропривод называют
аккумуляторным. В магистральном гидроприводе рабочая жидкость поступает из
гидромагистрали, не входящей в состав привода.
2. По х а р а к т е р у д в и ж е н и я в ы х о д н о г о з в е н а : поступательного,
вращательного и поворотного. В первом случае гидродвигателем является гидроцилиндр, во
втором - гидромотор, в третьем - поворотный гидродвигатель.
3. По ц и р к у л я ц и и р а б о ч е й ж и д к о с т и : с замкнутой и разомкнутой
циркуляцией. В первом случае жидкость от гидродвигателя поступает во всасывающую
линию насоса, во втором - в бак.
4. По возможности регулирования: регулируемый, нерегулируемый. В
регулируемом гидроприводе скорость выходного звена гидродвигателя может регулироваться
по требуемому закону. В зависимости от регулируемого устройства различают
регулирование дроссельное, объемное, объемно-дроссельное и регулирование приводящим
двигателем.
Дроссельное регулирование осуществляется регулирующими аппаратами (дросселем и др.),
объемное - регулируемым насосом или регулируемым мотором или обеими объемными
гидромашинами.
Из равенства подачи насоса и расхода жидкости в гидромоторе Q
н
= Q
м
или
ммнн
nqnq = видно, что
м
н
нм
q
q
nn = ,
т. е. частоту вращения вала мотора n
м
можно регулировать изменением рабочих
объёмов насоса q
н
, гидромотора q
м
или того и другого вместе, или, наконец,
изменением частоты вращения вала приводящего двигателя n
н
.
При постоянной частоте вращения вала насоса n
н
дроссельное регулирование
осуществляется более простыми средствами, а объёмное обеспечивает более высокий
КПД гидропривода.
…..Регулирование гидропривода может быть ручным и автоматическим. В зависимости от
задачи регулирования гидропривод может быть: стабилизированным (скорость выходного
звена поддерживается постоянной), программным (скорость изменяется по заданной
программе), следящим (скорость изменяется по определенному закону в зависимости от
задающего воздействия, которое заранее не определено).
Click here to buy
A
B
B
Y
Y
P
D
F
T
r
a
n
s
f
o
r
m
e
r
2
.
0
w
w
w
.
A
B
B
Y
Y
.
c
o
m
Click here to buy
A
B
B
Y
Y
P
D
F
T
r
a
n
s
f
o
r
m
e
r
2
.
0
w
w
w
.
A
B
B
Y
Y
.
c
o
m
118
На рис. 11.1, а представлена схема насосного гидропривода вращательного движения с
замкнутой циркуляцией и объемным регулированием в обеих машинах. Символические
обозначения на схеме соответствуют ГОСТ 2782 - 77. Насос 4 обеспечивает подпитку
всасывающей линии насоса 1, если в результате утечек жидкости здесь образуется
вакуум.
Принципиальные схемы насосных гидроприводов поступательного и вращательного
движений с разомкнутой циркуляцией и дроссельным регулированием показаны на рис.
11.1, б, в, г, д. Распределитель 8 служит для подключения к насосу той или другой
полости гидродвигателя, а дроссель 9 в сочетании с переливным клапаном 1.0 - для
регулирования расхода жидкости, поступающей в гидродвигатель и, следовательно,
скорости его движения. Варианты б - д различаются числом и местом включения дросселей
и определяют свойства гидропривода. В частности, при установке двух дросселей (вариант
д) их настройкой можно задавать разные скорости прямого и обратного ходов поршней
в телескопическом гидроцилиндре.
а б в г д
Рис. 11.1. Схемы гидроприводов:
a - с замкнутой циркуляцией, б, в, г, д - с разомкнутой циркуляцией: б - с регулиро-
ванием на входе; в - с регулированием на выходе; г - с регулятором на перепускной
линии; д - с двумя регуляторами: 1 - насос; 2 - гидромотор; 3 - обратный клапан; 4 -
насос подпитки; 5 - фильтр; 6 - бак; 7 - предохранительный клапан: 8 - распределитель;
9 - дроссель; 10 - переливной клапан
§ 11.2. ГИДРОАППАРАТЫ
Принцип действия гидроаппарата основан на перемещении запорно-регулирующего элемента,
в результате чего частично или полностью перекрывается проходное сечение аппарата. По кон-
струкции этого элемента различают золотниковые, крановые и клапанные гидроаппараты.
Click here to buy
A
B
B
Y
Y
P
D
F
T
r
a
n
s
f
o
r
m
e
r
2
.
0
w
w
w
.
A
B
B
Y
Y
.
c
o
m
Click here to buy
A
B
B
Y
Y
P
D
F
T
r
a
n
s
f
o
r
m
e
r
2
.
0
w
w
w
.
A
B
B
Y
Y
.
c
o
m
119
Гидроаппарат может быть регулируемым (в процессе работы) или настраиваемым (в
нерабочем состоянии).
По назначению гидроаппараты классифицируются следующим образом.
Направляющие гидроаппараты
Н а п р а в л я ю щ и й р а с п р е д е л и т е л ь предназначен для подключения к
источнику питания исполнительных механизмов (домкратов, лебёдок, ключей и
проч.). В зависимости от числа фиксированных положений запорно – регулирующего
элемента он может быть двухпозиционным, трёхпозиционным и т. д., а в
зависимости от числа внешних линий – двух - , трёхлинейным и т. д.
Конструктивные схемы распределителей и условные обозначения показаны на
рис. 11.2, а – г. Двухлинейный распределитель является по существу перекрывающим каналы
краном. Распределитель, показанный на рис. 11.2, г, имеет так называемое «положительное
перекрытие» (поясок плунжера шире, чем проходное окно). В этом распределителе при
среднем положении плунжера все внутренние каналы перекрыты, а в других конструкциях
часть или все внутренние каналы при этом положении не перекрываются, а соединяются
между собой или со сливной линией. В частности, в распределителе с «отрицательным
перекрытием» (рис. 11.3, а) все каналы соединены между собой, в распределителе на рис.11.3, б,
перекрыт лишь канал сливной линии Б, а на рис. 11.3, в – канал Н. Для разгрузки насоса
применяют распределитель, у которого при среднем положении подвижного элемента канал
насоса Н соединён с каналом бака Б, а каналы гидродвигателя D
1
, D
2
перекрыты (рис. 11.3, г).
Click here to buy
A
B
B
Y
Y
P
D
F
T
r
a
n
s
f
o
r
m
e
r
2
.
0
w
w
w
.
A
B
B
Y
Y
.
c
o
m
Click here to buy
A
B
B
Y
Y
P
D
F
T
r
a
n
s
f
o
r
m
e
r
2
.
0
w
w
w
.
A
B
B
Y
Y
.
c
o
m
120
Рис. 11.2. Конструктивные схемы и условные
обозначения распределителей [1]:
а, б, в – двухпозиционных; г – трёхпозиционного;
а – двухлинейного, б – трёхлинейного, в, г –
четырёхлинейного; Н – от насоса; Б – в бак,
D, D
1,
D
2
– в полости гидродвигателя
Варианты управления распределителями показаны на рис. 11.4, а – г. Изображенные
на схемах пружины служат для возврата подвижного элемента распределителя в среднее
положение. Потоком жидкости (на рис. 11.4, г условно изображенным тонкими линиями)
можно управлять ручным или иными способами. Наиболее распространены распределители
с электрогидравлическим управлением. На рис. 114, д приведена схема с двумя
трехлинейными вспомогательными (пилотными) распределителями, имеющими
электромагнитное управление; на рис. 11.4, е - упрощенное условное изображение той же
системы, а на рис. 11.4, ж - схема, в которой используется пилотный четырехлинейный
двухпозиционный распределитель с двумя электромагнитами.
Наиболее распространены цилиндрические золотниковые распределители. В
гидросистемах некоторых машин применяют конструкции с плоскими золотниками, а
также крановые и клапанные распределители [1]. Их недостаток - большие усилия,
которые требуются для управления, особенно при высоких перепадах давления.
Click here to buy
A
B
B
Y
Y
P
D
F
T
r
a
n
s
f
o
r
m
e
r
2
.
0
w
w
w
.
A
B
B
Y
Y
.
c
o
m
Click here to buy
A
B
B
Y
Y
P
D
F
T
r
a
n
s
f
o
r
m
e
r
2
.
0
w
w
w
.
A
B
B
Y
Y
.
c
o
m