2. Структура и состав типовых конструкций гидропневмосистем

Современные гидро- и пневмосистемы крайне разнообразны и могут различаться по принципу действия, назначению, конструкции устройств, составляющих систему, и по другим признакам. Однако в соответствии с выполняемыми функциями элементов в гидро- или пневмосистеме всегда можно выделить: источник питания, цепи управления и исполнительные устройства.

От источника питания производится снабжение остальных частей системы рабочей средой под давлением. Часто источниками питания являются отдельные насосные и компрессорные станции. Известны также системы, которые снабжаются рабочей средой, отбираемой от управляемой машины или аппарата. Источники питания должны иметь контрольно-регулирующую аппаратуру. Кроме того обычно к ним относят такие вспомогательные устройства, как газогидравлические аккумуляторы, гасители пульсаций давления, фильтры, холодильники и т.д.

Цепи управления представляют собой совокупность устройств, предназначенных для преобразования и передачи целенаправленных сигналов от операторов, или контролирующих какой-либо процесс автоматических устройств к исполнительным органам. В цепях управления. как правило, передаваемые сигналы усиливаются по мощности за счет использования энергии, подводимой с рабочей средой от источника питания.

Цепь управления и исполнительное устройство образуют гидравлический привод (гидропривод). если рабочей средой служит жидкость, и газовый привод, если рабочей средой является газ. Когда рабочей средой служит воздух, приводы сокращенно именуются пневмоприводами. Поскольку принципиальных отличий при исследовании протекающих процессов в пневмо- и газовых приводах нет, то не возникает необходимости отдельно рассматривать воздух и какой-либо другой газ, поэтому такие приводы обычно также относят к пневматическим.

Гидропневмоприводы формируют из типовых конструкций гидравлических машин, направляющей, регулирующей гидравлической аппаратуры и вспомогательных устройств с гидролиниями. Несмотря на большое разнообразие конструктивного исполнения этих элементов их принципиальные схемы и рабочие характеристики в целом остаются неизменными.

Гидравлическими машинами, называются машины, которые сообщают протекающей через них жидкости механическую энергию (насос), либо получают от жидкости часть энергии и передают ее рабочему органу для полезного использования (гидравлический двигатель). Насосы являются одной из самых распространенных разновидностей машин. Их применяют для различных целей, начиная от водоснабжения населения и предприятии и кончая подачей топлива в двигателях ракет. Гидродвигатели имеют большое значение в энергетике. В настоящее время в Советском Союзе около 20 % всей электроэнергии вырабатывается на гидроэлектростанциях. Для использования гидравлической энергии рек и преобразования ее в механическую энергию вращающегося вала генератора на гидроэлектростанциях применяют гидротурбины, являющиеся одной из разновидностей гидродвигателей. Мощность современных гидротурбин доходит до 650 тыс. кВт. Турбины используют и при бурении скважин.

Насосы и гидродвигатели применяют также в гидропередачах, назначением которых является передача механической энергии от двигателя к исполнительному рабочему органу, а также преобразование вида и скорости движения последнего посредством жидкости. Гидропередача состоит из насоса и гидродвигателя. Насос, работающий от двигателя, сообщает жидкости энергию. Пройдя через насос, жидкость поступает в гидродвигатель, где передает механическую энергию исполнительному рабочему органу. Назначение гидропередач такое же, как и механических передач (муфты, коробки скоростей, редукторы и т. д.), однако по сравнению с последними они имеют следующие преимущества.

1. Большая плавность работы. Люфты, неизбежные в элементах механической передачи, а также неточность ее изготовления приводят к вибрациям. Включение и выключение механической передачи или изменение ее передаточного числа сопровождается толчками.

2. Возможность получения бесступенчатого изменения передаточного числа. В механических передачах изменение передаточного числа обычно производится ступенями. Механические передачи, допускающие бесступенчатое изменение передаточного числа (па-пример, фрикционные), недостаточно надежны и могут применяться только при малой мощности.

3. Возможность получения меньшей зависимости момента на ведущем валу от нагрузки, приложенной к исполнительному органу. Это упрощает обслуживание машин и предохраняет двигатель и трансмиссию от перегрузки.

4. Возможность передачи больших мощностей.

5. Малые габаритные размеры и масса.

6. Высокая надежность.

Эти преимущества привели к большому распространению гидропередач, несмотря на их несколько меньший, чем у механических передач КПД.

В современной технике применяется большое количество разновидностей гидромашин. Наибольшее распространение получили объемные и лопастные насосы и гидродвигатели.

2.1. Лопастные гидромашины.

Рабочим органом лопастной машины является вращающееся рабочее колесо, снабженное лопастями. Энергия от рабочего колеса жидкости (лопастный насос) или от жидкости рабочему колесу (лопастной двигатель) передается путем динамического взаимодействия лопастей колеса с обтекающей их жидкостью.

К лопастным насосам относятся центробежные и осевые. На рис. 2.1 изображена простейшая схема центробежного насоса.

1 - подвод; 2 - рабочее колесо; 3 - отвод; 4 - диффузор; 5 - язык

Рис. 2.1. Схема центробежного насоса консольного типа

Проточная часть насоса состоит из трех основных элементов - подвода 1, рабочего колеса 2 и отвода 8. По подводу жидкость подается в рабочее колесо из подводящего трубопровода. Назначением рабочего колеса является передача жидкости энергии от двигателя. Рабочее колесо центробежного насоса состоит из ведущего а и ведомого (обода) б дисков, между которыми находятся лопатки в, изогнутые, как правило, в сторону, противоположную направлению вращения колеса. Ведущим диском рабочее колесо крепится на валу. Жидкость движется через колесо из центральной его части к периферии. По отводу жидкость отводится от рабочего колеса к напорному патрубку или, в многоступенчатых насосах, к следующему колесу.

К наиболее распространенным лопастным гидродвигателям относятся радиально-осевые и осевые гидротурбины. Радиально- осевая гидротурбина принципиально не отличается по конструкции от центробежного насоса. Направление движения жидкости в ней и направление вращения колеса противоположны движению в центробежном насосе. Радиально-осевая турбина и центробежный насос являются обратимыми машинами и могут работать как в турбинном, так и в насосном режимах.

Лопастные насосы бывают одноступенчатыми и многоступенчатыми. Одноступенчатые насосы имеют одно рабочее колесо, многоступенчатые - несколько последовательно соединенных рабочих колес, закрепленных на одном валу. На рис. 2.1 изображен одноступенчатый насос консольного типа. Рабочее колесо у этих насосов закреплено на конце (консоли) вала. Вал не проходит через область всасывания, что позволяет применить простейшую форму подвода в виде прямоосного конфузора.

2.2. Объемные гидромашины.

Объемной называется гидромашина, рабочий процесс которой основан на попеременном заполнении рабочей камеры жидкостью и вытеснении ее из рабочей камеры. Под рабочей камерой объемной гидромашины понимается ограниченное пространство внутри машины, периодически изменяющее свой объем и попеременно сообщающееся с местами входа и выхода жидкости.

Объемная гидромашина может иметь одну или несколько рабочих камер. В соответствии с тем, создают гидромашины поток жидкости или используют его, их разделяют на объемные насосы и гидродвигатели.

В объемном насосе перемещение жидкости осуществляется путем вытеснения ее из рабочих камер вытеснителями. Под вытеснителем понимается рабочий орган насоса, непосредственно совершающий работу вытеснения. Вытеснителями могут быть поршни, плунжеры, шестерни, винты, пластины и т.д.

По принципу действия, точнее по характеру процесса вытеснения жидкости, объемные насосы разделяют на поршневые (плунжерные) и роторные.

В поршневом (плунжерном) насосе жидкость вытесняется из неподвижных камер в результате лишь возвратно-поступательного движения вытеснителей (поршней, плунжеров, диафрагм).

В роторном насосе жидкость вытесняется из перемещаемых рабочих камер в результате вращательного или вращательно- поступательного движения вытеснителей (шестерен, винтов, пластин, поршней).

По характеру движения входного звена объемные насосы разделяют на вращательные (с вращательным движением входного звена) и прямодействующие (с возвратно-поступательным движением входного звена).

Объемный гидропривод это совокупность объемных гидромашин, гидроаппаратуры и других устройств, предназначенная для передачи механической энергии и преобразования движения посредством жидкости. Термин объемный гидропривод включает в себя понятие объемной гидропередачи, как части объемного гидропривода, состоящей из насоса, гидродвигателя (одного или нескольких) и связывающих их трубопроводов - гидролиний. Таким образом, гидропередача - это силовая часть гидропривода, через которую протекает основной поток энергии.

2. 3. Общие свойства объемных гидромашин.

К общим свойствам объемных насосов, которые обусловлены их принципом действия и отличают их от насосов лопастных, относятся следующие.

1. Цикличность рабочего процесса и связанная с ней порционность и неравномерность подачи. Подача объемного насоса осуществляется не равномерным потоком, а порциями, каждая из которых соответствует подаче одной рабочей камеры.

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

3. Самовсасывание, т.е. способность объемного насоса создавать вакуум во всасывающем трубопроводе, заполненном воздухом, достаточный для подъема жидкости во всасывающем трубопроводе до уровня расположения насоса. Высота всасывания жидкости при этом не может быть больше предельно допустимой. Лопастные насосы без специальных приспособлений не являются самовсасывающими.

4. Жесткость характеристики, т.е. крутизна ее в системе координат Н (или р) по Q, что означает малую зависимость подачи насоса Q от развиваемого им давления. Идеальная подача совсем не зависит от давления насоса (характеристики лопастных насосов обычно пологие).

5. Независимость давления, создаваемого объемным насосом, от скорости движения рабочего органа насоса и скорости жидкости. В принципе при работе на несжимаемой жидкости объемный насос, обладающий идеальным уплотнением, способен создавать сколь угодно высокое давление, обусловленное нагрузкой, при сколь угодно малой скорости движения вытеснителей. Для получения высоких давлений с помощью лопастного насоса требуются большие частоты вращения колеса и большие скорости жидкости.

Объемные гидродвигатели в основном имеют те же свойства, что и объемные насосы, но с некоторыми отличиями, обусловленными иной функцией двигателей. Объемные гидродвигатели также характеризуются цикличностью рабочего процесса и герметичностью. Жесткость характеристик объемных гидродвигателей заключается в малой зависимости скорости выходного звена от нагрузки на этом звене (усилия на штоке гидроцилиндра и момента на валу гидромотора).

2.4. Величины, характеризующие рабочий процесс в объемных насосах.

Основной величиной, определяющей размер объемного насоса (объемного гидродвигателя) является его рабочий объем.

Рабочий объем насоса и частота его рабочих циклов определяют идеальную подачу. Идеальной подачей объемного насоса называют подачу в единицу времени несжимаемой жидкости при отсутствии утечек через зазоры. Осредненная по времени идеальная подача определяется по формуле

, (2.1)

где V₀ - рабочий объем насоса, т.е. идеальная подача насоса за один цикл (один оборот вала насоса);

n - частота рабочих циклов насоса (для вращательных насосов частота вращения вала);

V_k - идеальная подача из каждой рабочей камеры за один цикл;

z - число рабочих камер в насосе;

k - кратность действия нacoca, т.е. число подач из каждой камеры за один рабочий цикл (один оборот вала).

Таким образом рабочий объем насоса

. (2.2)

Чаще всего k = 1, но в некоторых конструкциях k = 2 и более.

Действительная подача насоса меньше идеальной вследствие утечек через зазоры из рабочих камер и полости нагнетания, а при больших давлениях насоса еще и за счет сжимаемости жидкости.

Отношение действительной подачи Q к идеальной называется коэффициентом подачи:

, (2.3)

где q_y - расход утечек;

q_сж - расход сжатия.

Когда сжатие жидкости пренебрежимо мало, коэффициент подачи равен объемному КПД насоса ():

. (2.4)

Полное приращение энергии жидкости в объемном насосе обычно относят к единице объема и, следовательно, выражают в единицах давления. Так как объемные насосы предназначены в основном для создания значительных приращений давления, то приращением кинетической энергии в насосе обычно пренебрегают. Поэтому давление насоса представляет собой разность между давлением р₁ на выходе из насоса и давлением р₂ на входе в него

, (2.5)

а напор насоса

.

Полезная мощность насоса

. (2.6)

Мощность, потребляемая вращательным насосом (затрачиваемая приводящим двигателем)

, (2.7)

где М_Н - момент на валу насоса;

- угловая скорость его вала.

КПД насоса есть отношение полезной мощности к мощности, потребляемой насосом

. (2.8)

Подобно тому, как это принято для лопастных насосов, для объемных насосов различают гидравлический , объемныйи механическийКПД, учитывающие три вида потерь энергии: гидравлические - потери напора (давления), объемные - потери на перетекание жидкости через зазоры, и механические - потери па трение в механизме насоса

; (2.9)

; (2.10)

, (2.11)

где - индикаторное давление, создаваемое в рабочей камере насоса и соответствующее теоретическому напору в лопастном насосе;

- потери мощности на трение в механизме насоса;

- индикаторная мощность, сообщаемая жидкости в рабочей камере и соответствующая гидравлической мощности в лопастных насосах.

Умножим и разделим на уравнение (2.8) и произведем перегруппировку множителей.

Получим

, (2.12)

т.е. КПД насоса (общий) равен произведению трех частных КПД - гидравлического, объемного и механического.

2.5. Общие свойства роторных насосов, их классификация.

К насосам, применяемым в гидроприводах и других гидросистемах, предъявляют высокие требования, основными из которых являются: малая удельная масса и объем, приходящиеся на единицу мощности, высокий КПД, возможность регулирования и реверса подачи, а также высокая быстроходность и большая надежность. Этим требованиям наиболее полно удовлетворяют роторные насосы.

Как указывалось выше, к роторным относятся объемные насосы с вращательным или вращательно-поступательным движением рабочих органов-вытеснителей. Жидкость в этих насосах вытесняется в результате вращательного (в шестеренных и винтовых насосах) или вращательного и одновременно возвратно-поступательного движения вытеснителей относительно ротора (в роторно-поршневых и пластинчатых насосах). Особенностью рабочего процесса таких насосов является и то, что при вращении ротора рабочие камеры переносятся из полости всасывания в полость нагнетания и обратно. Перенос рабочих камер с жидкостью делает излишними всасывающие и нагнетательные клапаны.

Отсутствие всасывающих и нагнетательных клапанов в роторных насосах является основной конструктивной особенностью, которая отличает их от поршневых насосов.

Роторный насос обычно состоит из трех основных частей: статора (неподвижного корпуса), ротора, жестко связанного с валом насоса и вытеснителя (одного или нескольких). В некоторых роторных насосах ротор одновременно является и вытеснителем. В этих случаях в насосе должны быть еще подвижные элементы, называемые замыкателями, которые обеспечивают необходимую герметизацию рабочих камер. Например, в трехвинтовых насосах ведущий винт является одновременно ротором и вытеснителем, а два ведомых винта не нагружены моментами и выполняют функцию замыкателей.

Рабочий процесс роторного насоса складывается из трех этапов: заполнение рабочих камер жидкостью; замыкание (изоляции) рабочих камер и их перенос; вытеснение жидкости из рабочих камер.

Основными свойствами роторных насосов, вытекающими из специфики их рабочего процесса и отличающими их от поршневых насосов являются следующие.

1. Обратимость, т.е. способность роторных насосов работать в качестве гидродвигателей (гидромоторов). Это означает, что жидкость, подводимая к насосу под давлением, заставляет вращаться ротор и вал. Поршневые насосы этой способностью не обладают.

2. Большая быстроходность. Максимально допустимые значения частоты вращения для роторных насосов п = (2 - 5) 10³ об/мин, причем нижний предел соответствует большим насосам, а верхний - малым. Для поршневых насосов эти значения в несколько раз меньше.

3. Способность работать только на чистых (отфильтрованных и не содержащих абразивных и металлических частиц), неагрессивных и смазывающих жидкостях. Эти требования к жидкости обусловлены малыми зазорами в роторном насосе и трением между обработанными по высшим классам точности и чистоты поверхностями статора, ротора и вытеснителей.

Если первые два свойства роторных насосов являются их преимуществами, то третье свойство ограничивает применение этих насосов. Работа насосов на воде исключается, так как вода вызывает коррозию и ведет к быстрому изнашиванию рабочих органов.

На рис. 2.2 представлена классификация роторных насосов, соответствующая ГОСТ 17398-72.

Рис. 2.2. Классификация роторных насосов

По характеру движения вытеснителей роторные насосы разделяют на роторно-вращательные и роторно-поступательные; в первых рабочие органы совершают лишь вращательное движение, а во вторых - одновременно с вращательным еще и возвратно- поступательное движение относительно ротора.

Роторно-вращательные насосы разделяют на зубчатые и винтовые. В зубчатых насосах ротор и вытеснитель имеют форму зубчатых колес, а жидкость перемещается в плоскости их вращения. В винтовых насосах ротор имеет форму винта, который одновременно выполняет функцию вытеснителя, а жидкость в насосе перемещается вдоль осей вращения винтов. Основной разновидностью зубчатых насосов являются шестеренные.

К роторно-поступательным относятся шиберные (в основном пластинчатые) и роторно-поршневые насосы. Различие между ними заключается не только в форме вытеснителей (пластин и поршней) и характере движения жидкости в насосе, но и в способе ограничения (образования) рабочих камер. Если в пластинчатом насосе рабочие камеры ограничиваются двумя соседними вытеснителями (пластинами) и поверхностями ротора и статора, то в роторно-поршневых насосах они образованы внутри ротора и замыкаются вытеснителями.

Роторно-поршневые насосы по расположению рабочих камер делятся на радиально- и аксиально-поршневые.

2.6. Характеристики роторных насосов.

Характеристикой объёмных насосов, в том числе роторных, называют (в отличие от характеристики насосов лопастных) зависимость подачи насоса от его давления при постоянной частоте вращения вала. Так как идеальная подача объёмного насоса определяется его рабочим объёмом и частотой вращения, теоретическая характеристика насоса в указанной системе координат изображается горизонтальной прямой (рис. 2.3, а).

Действительная подача насоса отличается от идеальной на величину утечек через неплотности рабочих камер – зазоры – из полости нагнетания в полость всасывания (внутренние утечки) и наружу (внешние утечки).Таким образом, Q = Q_и – q_у. Так как уплотняющие зазоры в насосах малы и протяженны, а вязкость жидкости обычно значительна, режим течения жидкости в этих зазорах , как правило, ламинарный, поэтому при не очень высоких давлениях для

Рис. 2.3. Характеристики роторного насоса

утечек справедлив закон сопротивления Пуазейля (для зазора). Следовательно, расход утечек

q_y = Ap_н/, (2.13)

где A – величина, зависящая от конструкции насоса и зазоров; ее можно считать постоянной для данного насоса;  - динамическая вязкость жидкости.

Давление насоса p_н для жидкости, перетекающей через зазоры, является потерей давления на трение по длине.

Отсюда следует, что действительная характеристика роторного насоса в той же системе координат изображается наклонной прямой. При этом, чем более совершенен насос, тем ближе эта прямая к идеальной характеристике (тем больше «жесткость» характеристики). Именно в таком виде характеристики роторных насосов используются потребителями гидромашин и приводятся в каталогах. Однако при выполнении графоаналитических расчетов гидравлических систем с использованием характеристик насосов удобнее последние изображать так же, как и характеристики лопастных насосов, в виде зависимости H_н (или p_н) от Q (рис. 2.3, б).

Регулирование подачи роторных насосов (при неизменной частоте вращения вала насоса) осуществляется двумя способами.

1. Установка переливного клапана (рис. 2.4, а) параллельно насосу, так что часть подачи может через клапан 2 возвращаться во всасывающий трубопровод.

Клапан закрыт, пока давление насоса

p_н  p_в = F_пр.о /S_кл, (2.14)

где F_пр.о – сила пружины при закрытом клапане;

S_кл – площадь отверстия, перекрываемого клапаном.

б)

Рис. 2.4. Схема включения переливного клапана