8.3. Графики подачи. Способы уменьшения неравномерности подачи

Рассматривая схему насоса (см. рис. 1), можно отметить, что поршень перемещается в цилиндре между крайними положени­ями - так называемыми мертвыми точками, скорость движения в ко­торых равна нулю. Перемещение координаты х поршня определяется углом  поворота махо­вика и выражается известным­ из механики уравнением:

x = r(1 – cos ) (11)

Т екущая скорость пере­мещения координаты х выра­жается первой производной:

, (12)

а текущее значение уско­рения - второй производ­ной:

, (13)

где - угловая скорость.

Текущее значение подачи жидкости равно произведе­нию скорости поршня на его площадь:

Q_т = Sr sin . (14)

Таким образом, из формулы (12) видно, что подача жид­кости изменяется по синусоидальному закону, т. е. при , равном 0, 180°, 360° и т. д., Q_т = 0, а при , равном 90°, 270° и т. д., Q_т достигает максимальных значений.

Графически это отражено на рисунке 2, а. Из графика видно, что насос простого действия имеет весьма неравномерную пода­чу. Степень неравномерности _н, представляющая собой отноше­ние максимального расхода к среднему, для данного насоса составит:

. (15)

Неравномерность подачи может быть существенно уменьшена путем увеличения числа цилиндров насоса, поршни которых наса­живаются на общий вал, а кривошипы располагаются под углом друг к другу (по аналогии с двигателем внутреннего сгорания).

Так, на рисунке 2, б представлен график подачи двухпорш­невого насоса. Видно, что максимальная подача Q_max не измени­лась, a Q_cp увеличилась в 2 раза. Поэтому коэффициент неравно­мерности подачи также уменьшился в 2 раза:

. (16)

В трехпоршневом насосе кривошипы отдельных цилиндров сдви­гаются на 120°. Поэтому на графике подачи (рис. 2, в) при одинаковых максимальных расходах общая подача возрастает в 3 раза, а неравномерность подачи значительно уменьшается; коэф­фициент неравномерности при этом практически равен единице:

. (17)

В целях уменьшения неравномерности подачи поршневых насосов возможны и другие конструктивные решения: установка воз­душных колпаков, применение насосов дифференциального типа, двойного действия и др.

8.4. Классификация и основные конструкции поршневых насосов

Поршневые насосы классифицируются по нескольким основным признакам:

1. По характеру движения ведущего звена: прямодействующие, в которых ведущее звено совершает возвратно-поступательное дви­жение (паровые прямодействующие); вальные, в которых веду­щее звено совершает вращательное движение (кривошипные, ку­лачковые).

2. По числу циклов нагнетания и всасывания за один двой­ной ход: одностороннего и двухстороннего действия.

3. По количеству поршней или плунжеров: однопоршневые, двух-поршневые, трехпоршневые и многопоршневые.

4. По виду вытеснителей: поршневые, плунжерные и диафрагменные.

5. По способу приведения в действие: с механическим приво­дом и ручные.

Рассмотрим наиболее характерные конструкции насосов.

Дифференциальные на­сосы. Насосы двухсторон­него действия (рис. 3) имеют одну рабочую ка­меру 4 со всасывающим 3 и напорным 1 клапанами и вторую рабочую камеру 2 без клапанов. Благодаря тому, что за один оборот вала насос два раза нагне­тает жидкость, подача его выравнивается.

Т еоретический объем жидкости, подаваемой диф­ференциальным насосом за один оборот вала, можно выразить следую­щим образом. Объем жид­кости, поступающей в на­порный патрубок при дви­жении поршня влево, будет равен S_шs, а при движении поршня вправо (S_п — S_ш)s. Теоретический объем V бу­дет таким же, как в насосе простого действия:

V = S_шs + (S_п — S_ш)s = S_пs, (18)

где S_n - площадь поршня, м²; S_ш - площадь штока, м²; s - ход поршня, м.

Теоретическая подача также останется прежней: Q_т = S_nsn/60 (м³/с), однако она будет более равно­мерная. Наибольшая рав­номерность достигается при условии, если S_шs = (S_n – S_ш)s, т. е. S_n = 2S_ш - площадь штока в два раза меньше площади поршня.

Н асосы двойного дейст­вия. Этот насос (рис. 4) имеет более равномерную подачу по сравнению с насосами простого действия и дифференциальными благодаря тому, что по обе стороны от цилиндра имеются две рабочие камеры, в каждой из которых находятся нагнетательные 3 и всасывающие 4 клапаны. Поэтому за один оборот коленчатого вала поршень 5 два раза нагнетает жидкость. Воздушный колпак 1, соединенный с патрубком 2, при нагнетании существенно снижает пульсацию жидкости. Теорети­ческий объем жидкости, подаваемой за один оборот вала, равен:

V = S_ns + (S_n – S_ш)s = (2S_n-S_ш)s. (19)

Теоретическая подача насоса (м³/с) равна:

Q_т = = (2S_n-S_ш)sn/60. (20)

Кулачковые насосы. В одноцилиндровых насосах (рис. 5, а) поршень 3 приводится в движение кулачком 4, а возвращается в исходное положение с помощью пружины. Ось вращения кулачка смещена относительно его геометрической оси на величину экс­центриситета е. При вращении кулачка поршень совершает в ци­линдре возвратно-поступательное движение на пути s = 2e; при этом через клапан 1 происходит всасывание, а через клапан 2 - нагнетание жидкости.

Подача в насосах данного типа такая же неравномерная, как в поршневых насосах простого действия с шатунно-кривошипным механизмом. Для выравнивания подачи применяются многопорш­невые насосы с числом цилиндров z = 3-11 в одном ряду и со смещением фаз их рабочих циклов на угол  = 360/z. Схема трехцилиндрового насоса представлена на рисунке 5, б. Кулачки 4 расположены в один ряд на приводном валу, а поршни прижи­маются к кулачкам с помощью пружин (на схеме не показаны).

Д ля достижения компактности конструкции кулачковых насо­сов часто цилиндры располагают радиально с пересечением осей в общем центре (рис. 5, в). Центр вращения кулачка 4 и в дан­ной схеме смещен относительно его геометрической оси на вели­чину е. Контактное давление между поршнем 1 и кулачком 4 уменьшается с помощью башмаков 3. Поршни прижаты к башма­кам пружиной 2.

Подача насоса определяется по формуле (м³/с):

Q = S_цezn₀ /60, (21)

где S_ц - рабочая площадь цилиндра, м²; ₀ = 0,75-0,95 - объем­ный КПД насоса.

Кулачковые поршневые насосы способны создавать высокие давления. Они применяются в различных гидроприводах, для на­гнетания жидкости в гидропрессах, а также в качестве топливных насосов в дизельных двигателях.

Насосы с проходным поршнем. Насосы такой конструкции от­личаются компактностью: в них отсутствует рабочая камера, всасывающий клапан находится в рабочем ци­линдре, а напорный - в поршне. Насосы с про­ходным поршнем применяются для подъема жидкостей из скважин, поэтому их называют погружными (рис. 6). В обсадную трубу пробуренной скважины опускается труба 6 с присоединенным к ней цилиндром 2, внутри которого находится поршень 3. Поршень ду­гой 4 соединен со штангой 5, которая при­водится в возвратно-поступательное движение специальным механизмом. В нижней части труба 6 заканчивается всасывающим патруб­ком 1, а в верхней - нагнетательным 7.

При подъеме поршня всасывающий клапан открывается и жидкость поступает в гидро­цилиндр. При опускании поршня всасывающий клапан закрывается, давление в цилиндре по­вышается, вследствие чего открывается на­порный клапан и жидкость через сквозное от­верстие в поршне устремляется в пространство над ним. При очередном подъеме поршня одно­временно с всасыванием происходит подача жидкости в нагнетательный патрубок.

Подача погружного насоса с проходным поршнем определяется по формуле (м³/с):

Q = S_пsn₀ /60, (22)

где S_n - площадь поршня, м; ₀ = 0,7-0,85 - объемный КПД насоса.

Насосы такого типа бывают и с ручным (рычажным) приводом - они используются для подъема воды из скважин (колодцев) на приусадебных участках.

Д иафрагменные насосы. Диафрагма насо­сов (рис. 7) представляет собой мембрану, выполненную из эластичного материала (ре­зины, кожи, ткани, пропитанной лаком, и др.). Мембрана отделяет рабочую камеру от пространства, в которое жидкость не должна проникнуть.

В диафрагменном насосе, представленном на рисунке 7, а, клапанная коробка с всасывающим 5 и нагнетательным 4 клапа­нами расположена отдельно, а прогиб диафрагмы 3 осуществля­ется благодаря возвратно-поступательному движению плунжера 2 в цилиндре насоса 1, заполненном специальной жидкостью. Диа­фрагменные насосы подобного типа часто применяются для пере­качки жидкостей, загрязненных различными примесями (песком, илом, абразивными материалами), а также химически активных жидкостей и строительных растворов.

Диафрагму можно приводить в движение не только с по­мощью плунжера, но и обычным рычажным механизмом. На ри­сунке 7, б показана схема диафрагменного насоса с рычажным приводом. Рабочая камера 5 имеет два патрубка: всасывающий 3 и напорный 1, которые сообщаются с камерой через всасывающий 4 и напорный 2 клапаны. Диа­фрагма 6 соединена со штоком 7, который совершает возвратно-по­ступательные движения. Диафрагменные насосы подобной конст­рукции используются в качестве бензонасосов на автомобильных двигателях. В этих насосах име­ется два рычага: один - для руч­ной подкачки бензина и второй - для непрерывной его подачи во время работы двигателя. Послед­ний приводится в движение спе­циальным кулачком распредели­тельного двигателя.

Контрольные вопросы и задания

1. Перечислите и охарактеризуйте ос­новные классы гидравлических машин.

2. Какое назначение имеют насосы?

3. На­зовите области техники, где используются насосы.

4. Какие типы поршневых насосов вы знаете?

5. Какими основными пара­метрами характеризуется работа насосов?

6. Что такое подача насоса и от чего зависит равномерность подачи поршневого насоса?

7. Что такое высота всасы­вания, нагнетания и полный напор порш­невого насоса?

8. Что называется мощ­ностью и КПД поршневого насоса? Ка­кие виды мощности и КПД поршневого насоса вы знаете?

9. Объясните устрой­ство поршневых насосов.

10. Как они раз­личаются по характеру движения веду­щего звена, по виду вытеснителей?

Примерные темы рефератов

1. Классификация гидравлических машин и области их применения.

2. Клас­сификация поршневых насосов и области их применения.

3. Основные типы порш­невых насосов, их назначение и технические характеристики.

4. Насосы, приме­няемые в различных системах дизельных двигателей трактора (устройство, на­значение, принцип действия).

5. Насосы, применяемые в различных системах авто­мобильного двигателя ГАЗ-53А (устройство, назначение, принцип действия).

10