Живов_Кузнечно-штамповочное оборудование

Раздел IL ГИДРАВЛИЧЕСКИЕ ПРЕССЫ

мосферного и жидкость из резервуара самотеком устремляется в него, чтобы восстановить прежний уровень.

Воздушный колпак 4 устанавливают также и на напорной трубе 5, благодаря чему устраняют опасность разрыва струи в напорной магистрали. При этом уменьшается геометрическая высота напора в результате увеличения потерь на трение в более длинной магистрали, появляется возможность увеличения частоты вращения кривошипного вала в связи с уменьшением инерционного напора.

Воздушные колпаки для наиболее эффективного их действия устанавливают по возможности ближе к плунжеру, кроме того, в колпаке необходимо поддер­ живать определенный объем воздуха. Избыток воздуха удаляют через всасы­ вающие трубы, которые имеют небольшие отверстия. Размеры этих отверстий сделаны с таким расчетом, чтобы воздух не засасывался большими порциями для предотвращения гидравлических ударов.

Воздушный колпак на напорной магистрали должен быть достаточно проч­ ным ввиду возможных повышений давления при пуске насоса. Находящийся в напорном колпаке воздух частично растворяется в жидкости при высоких дав­ лениях. Для поддержания постоянного объема воздуха в напорном колпаке не­ достаточно воздуха, засасываемого из всасывающего колпака, поэтому для крупных насосов дополнительно устанавливают воздушные компрессоры.

Для периодического отключения насосной камеры от всасывающей и нагне­ тающей магистралей применяют самодействующие клапаны. Их размеры и вы­ соту подъема определяют по допустимым скоростям течения жидкости в кла­ пане. Работа клапанов при определенных количествах ходов плунжера в минуту сопровождается стуком. Частоту вращения кривошипного вала насоса, при ко­ торой возникает стук клапанов, называют критической. Из-за рассогласования открытия и закрытия клапанов при движении плунжера подача жидкости стано­ вится неустойчивой, возрастают утечки, возможен разрыв струи. Все это приво­ дит к быстрому износу деталей клапанов.

Согласно данным И.И. Куколевского, стук клапанов зависит от скорости их

посадки в седло и возникает при скорости 50...60 мм/с. В связи с этим за крите­ рий стука было принято произведение угловой скорости кривошипного вала на­ соса на максимальную высоту подъема клапана, равное критической скорости его посадки в седло:

ИЛИ

^/z,,,^ 500...600,

где п - частота вращения кривошипного вала. Формула (8.1) является довольно простой и в то же время обеспечивает необходимую точность расчетов.

В зависимости от количества насосных камер и плунжеров насосы подраз­ деляют на одно-, двух- и трехплунжерные. В многоплунжерных насосах плун-

240

Глава 8. Типовые конструкции узлов гидропривода

жеры располагают параллельно, а кривошипы устанавливают под различными углами, чтобы обеспечить наиболее равномерную подачу жидкости. Наиболее распространены трехплунжерные насосы с кривошипами, расположенными под углом 120° один относительно другого. Такая последовательность работы плунжеров обеспечивает наибольшую равномерность подачи жидкости в про­ цессе полного оборота кривошипного вала. Для определения перемещения плунжера насоса используют выражение

5 =7?[(l-cosa) + 0,25>.(l-cos2a)],

где 7? - радиус кривошипа; X = R/l - отношение радиуса кривошипа к длине шатуна. Скорость и ускорение плунжера вычисляют по формулам

V = coi?(sina + 0,5A.sin2a);

J = co^7?(cosa + ^cos2a).

Средняя подача жидкости (производительность) плунжерного насоса

где Z - число плунжеров; F^^ - плогцадь поперечного сечения плунжера.

Мгновенная производительность плунжерных насосов определяется ско­ ростями перемещения плунжеров. Например, для трехплунжерного насоса

QiMr =^пл^^(8та + 0,5Х8ш2а);

е11мг=^плСоЛИп(а + 120°) + 0,5^8т2(а + 120°)];

бшмг = ^пл«^[8т (а + 240°) + 0,5?isin 2(а + 240°)].

На рис. 8.2 показано изменение подачи жидкости каждым плунжером трех­ плунжерного насоса за один оборот. На рисунке видно, что на участке поворота кривошипного вала от О до к/3 мгновенная подача жидкости суммируется из по­ дач I и III плунжеров. Подачи жидкости будут также суммироваться на участках от 2п/3 до 71 и от 4к/3 до 5к/3. На участке от О до тс/З суммарная мгновенная подача

бшмг =^„л^^[51па+0,5?18т2(а + 120'') + 8 т ( а + 120^) + 0,5;18т2а]. (8.2)

Для определения максимальной подачи жидкости насосом необходимо про­ изводную выражения (8.2) приравнять нулю. Например, максимальная подача трехплунжерного насоса на участке от О до ти/З

!^мг max ~ ^ пл ^ ^ •

241

Раздел IL ГИДРАВЛИЧЕСКИЕ ПРЕССЫ

I Нагнетание

т

-^TTTTTTTTTZ

Всасывание

Рис. 8.2. Изменение подачи трехплунжерного насоса за один оборот кривошипного вала

Для упрощения расчетов было принято, что ?i = 0. Аналогично можно найти максимальную подачу жидкости при углах а = 57г/6 и 97с/6. Наименьшая пода­ ча жидкости будет при углах а = О, тг/3, 27с/3 и т. д.

Наименьшую подачу жидкости при ^ = О определяют по формуле

Относительная неравномерность подачи жидкости

2 _ д:>мгтах •g^Mrmin

что является вполне удовлетворительным для гидравлических прессов. Анало­ гично можно определить относительную неравномерность подачи жидкости при

242

г л ава 8. Типовые конструкции узлов гидропривода

любых других значениях X. С увеличением X относительная неравномерность подачи возрастает.

При расчете и конструировании насосов важными параметрами являются длина и средняя скорость хода плунжера. Эти параметры выбирают на основа­ нии рекомендаций, установленных по данным экспериментальных исследований и опыта эксплуатации насосов:

5 = ( 1 , 2 . . . 3 , 0 ) J ; V , P < 3 M / C .

При скоростях движения плунжера более 3 м/с происходит быстрое изна­ шивание уплотнений. Рекомендуемая частота вращения кривошипного вала кривошипно-плунжерного насоса ограничивается его неустойчивой работой (стуком клапанов), ее устанавливают в пределах 95... 180 об/мин.

Мощность на кривошипном валу насоса определяют по формуле

Л^_ PQ

л обл ме

где Tj^gj^ - механический КПД насоса, значение которого при расчетах прини­ мают равным 0,80... 0,85.

Мощность электродвигателя рекомендуют выбирать на 10... 15 % выше расчет­ ной, учитывая электрические потери и неравномерность подачи жидкости.

Конструкция кривошипно-плунжерного насоса с тремя плунжерами показа­ на на рис. 8.3. Станину 1 изготовляют из чугунного литья весьма массивной для погашения вибраций, вызываемых неравномерным поступательным движением плунжеров. При выборе размеров станины определяют напряжения от растяже­ ния силой, равной суммарной силе на плунжерах. Допустимое напряжение ус­ танавливают из условия расчета на жесткость и принимают [а] = 8 МПа. Криво-

Ш'А \Ш

Рис. 8.3. Конструктивная схема кривошипно-плунжерного насоса

243

Раздел 11. ГИДРАВЛИЧЕСКИЕ ПРЕССЫ

шинный вал 2 изготовляют кованым из стали 45, допустимое напряжение при расчете на кручение и изгиб [а] = 50 МПа. Опорами вала являются подшипники скольжения или качения (роликовые подшипники).

Шатуны 3 и ползуны 4 изготовляют ковкой или литьем из стали. Длину шатуна рекомендуют принимать не менее пяти радиусов кривошипа (/ > 5R). Направляю­ щие ползуна 5 могут быть плоскими или цилиндрическими. Допустимое давление [р] = 0,2 ...0,3 МПа. Направляющие обычно являются сменными, что позволяет ре­ гулировать зазор по мере их износа. Плунжеры 6 изготовляют из легированной кор­ розионно-стойкой стали марок 3X13 и 2X13. Поверхность плунжера твердая и зеркально-гладкая. Соединение плунжера с ползуном должно позволять его регули­ ровку при монтаже в радиальном направлении. Блок цилиндров 7 выполняют кова­ ным из стали 30; клапаны, седла, пружины и крепежные детали изготовляют из коррозионно-стойкой стали.

При использовании кривошипных плунжерных насосов в безаккумулятор­ ном приводе необходимо предусмотреть возможность перевода его на холостую работу в конце рабочего хода, когда расход жидкости прессом прекратится.

Всасывающая труба должна иметь фильтр, площадь проходного сечения ко­ торого в шесть раз больше, чем сечение трубопровода.

Ротационно-плунжерные насосы. Эти насосы могут быть с радиальным и аксиальным расположением плунжеров. Конструктивная схема ротационноплунжерного насоса показана на рис. 8.4. Рабочие цилиндры 2 ротора 7 с плунже­ рами 3 вращаются вокруг неподвижной оси, которая имеет распределительные окна 5 и б с осевыми каналами, соединяющими рабочие цилиндры 2 соответст­ венно всасывающим и нагнетающим трубопроводами. При вращении ротора 7, расположенного эксцентрически относительно барабана 8, рабочие плунжеры бу­ дут совершать возвратно-поступательное движение в радиальном направлении, производя всасывание и нагнетание жидкости. Эксцентриситет может изменяться при повороте барабана 8 вокруг оси 4 под действием сервопривода 7.

Радиальные ротационно-плунжерные насосы более компактны по сравне­ нию с кривошипными при одинаковой производительности. Их можно устанав­ ливать непосредственно на прессе. Применяют эти насосы для подачи жидкости при давлениях до 25 МПа. При дальнейшем увеличении нагнетаемого давления резко возрастают утечки через радиальный зазор между неподвижной (распре­ делительной) осью и ротором, а также нагрузки на ось. Ротационно-плунжерные насосы работают только на масле, имеющем более высокую вязкость по сравне­ нию с водными эмульсиями. Для повышения производительности рабочие ци­ линдры насоса можно устанавливать в несколько рядов.

Ротационно-плунжерные насосы строят для подачи жидкости высокого дав­ ления с расходом до 1000 л/мин. В их конструкциях предусмотрено перемеще­ ние ротора относительно барабана, т. е. возможно изменение эксцентриситета, а следовательно, и производительности насоса. При выборе размеров окон и каналов всасывания для насосов без принудительной подкачки необходимо

244

Глава 8. Типовые конструкции узлов гидропривода

I ^

Рис. 8.4. Схема ротационно-плунжерного насоса с ради­ альным расположением плунжеров

245

Раздел II. ГИДРАВЛИЧЕСКИЕ ПРЕССЫ

Рис. 8.5. Схема сил, действующих на плун­ жер ротационно-плунжерного насоса

исходить из скорости течения жидкости, которая должна быть не более 2...3 м/с, а в окнах и каналах нагнетания - не более 5... 10 м/с.

Для определения силы, действующей на плунжер, и крутящего момента на валу ротора рассмотрим схему, приведенную на рис. 8.5. Равнодействующую давления жидкости на поршень

P=(Kdy4)p

(где d - диаметр плунжера; р - давление жидкости) можно разложить на две со­ ставляющие - тангенциальную Р^ и радиальную Р„ по отношению к оси барабана:

246

Глава 8. Типовые конструкции узлов гидропривода

Чтобы уменьшить давление между трущимися поверхностями ротора и распределительной оси, используют гидравлическую разгрузку, для чего по обе стороны распределительных окон делают круговые канавки. Через зазор между ротором и осью жидкость проникает в канавки и давление жидкости выравнивается.

Крутящий момент на валу ротора есть сумма произведений сил Р^^ на соот­ ветствующие радиусы р^, которые являются переменными. Согласно рис. 8.5,

Подставив выражение для cos Р в соотношения (8.6) и (8.5), после преобра­ зований получим

Результирующий крутящий момент

М = Г,р,+Г2Р2+- = Е ^ - Р / -

Результирующий момент является сложной гармонической функцией с час­ тотой колебаний, равной произведению частоты вращения ротора и числа ци­ линдров Z при четном количестве цилиндров либо удвоенному их произведению при нечетном количестве. Неравномерность крутящего момента А^^ определяют по следующим выражениям:

для нечетного числа цилиндров и

для четного их числа. Неравномерность крутящего момента у насоса с десятью плунжерами такая же, как у насоса с пятью плунжерами. Для насоса с пятью плунжерами минимальный крутящий момент

М=0 94М

При вращении ротора насоса с постоянной угловой скоростью плунжер совер­ шает возвратно-поступательное движение, скорость и ускорение которого могут

247

Раздел П. ГИДРАВЛИЧЕСКИЕ ПРЕССЫ

быть определены следующим образом. Скорость относительного поступательного движения плунжера находим дифференцированием уравнения (8.7) по времени:

Полное ускорение любой точки плунжера складывается из геометрической суммы трех ускорений: относительного в направлении оси плунжера, перенос­ ного (вращательного) и ускорения Кориолиса (поворотного).

Относительное ускорение определяют дифференцированием выражения (8.8) по времени:

причем оно направлено по оси от центра.

Переносное ускорение точки А плунжера равно произведению радиуса р и квадрата угловой скорости и направлено по оси плунжера к центру:

Поворотное ускорение центра тяжести плунжера направлено перпендику­ лярно его оси в противоположную вращению ротора сторону при движении плунжера к центру и в направлении вращения ротора при его движении в обрат­ ном направлении:

Упов = 2соу,,„8ту,

где у - угол между осью ротора и направлением относительной скорости плун­ жера Vo^„, у= 90°. Следовательно,

Зная ускорения, можно определить значения и направления инерционных сил при работе насоса.

Теоретическая средняя подача насоса за один оборот

248

г л ава 8. Типовые конструкции узлов гидропривода

Действительная средняя подача всегда является меньше расчетной в связи с утечкой жидкости:

где Г|(5б = 0,85 ...0,95 для радиальных ротационно-плунжерных насосов. Мгновенная подача жидкости одним плунжером пропорциональна относи­

тельной скорости его движения:

QuT = ^o.nf =^ef\ sina + ^ s i n 2 a

у

Суммарная мгновенная подача всех плунжеров, находящихся в нагнета­ тельной полости.

где aj, а2, ... - углы, образованные осями плунжеров по отношению к первона­ чальному положению, соответствующему наибольшему эксцентриситету.

Чем больше плунжеров, тем меньше амплитуда пульсаций. Равномерность подачи жидкости выше при нечетном количестве плунжеров. Относительная неравномерность подачи

6= mm

бор

При наличии пяти плунжеров относительная неравномерность подачи рота- ционно-плунжерного насоса составляет около 5 %.

Колебания подачи жидкости сопровождаются колебаниями ее давления, при­ чем амплитуда колебаний давления всегда выше, чем амплитуда колебаний подачи.

Мощность на валу ротора насоса

гдеЛмех = 0,94...0,96.

Конструкция ротационно-плунжерного насоса со свободно перемещающи­ мися плунжерами показана на рис. 8.6.

Ротационно-плунжерный насос имеет литой корпус 4, в котором располо­ жен барабан 5 с вращающимся ротором 6; блок цилиндров 7 с плунжерами 8; неподвижную ось с распределительными каналами - нагнетающим 9 и всасы­ вающим 10; приводной вал 2; муфту 3 и шестеренный насос 7.

При вращении приводного вала 2 вращается блок цилиндров 7 с плунжерами 8. При эксцентричном расположении осей блока цилиндров и барабана плунжеры перемещаются в радиальном направлении, производя всасывание жидкости из

249