Тема: Объемные и центробежные гидравлические машины. Принцип работы гидропривода

Тема: объемные и центробежные Гидравлические машины. Принцип работы гидропривода

Лекция 9

9.1. Теоретические основы гидромашин и гидроприводов.

Гидравлические машины - механизмы, сообщающие протекающей через них жидкости механическую энергию (насос), либо получающие от жидкости часть механической энергии для передачи ее рабочему органу с целью полезного использования (гидравлический двигатель).

Насосы и гидродвигатели применяют в гидропередачах, назначением которых является передача механической энергии от первичного двигателя к исполнительному рабочему органу, а также преобразование вида и скорости движения рабочего органа. Гидропередача состоит из насоса, гидродвигателя, трубопроводов и регулирующей гидроаппаратуры.

В современной технике применяется большое количество разновидностей гидромашин. Однако их можно разделить на два основных класса: лопастные и объемные.

9.2. Лопастные гидромашины.

9.2.1. Принцип действия и основные параметры лопастных гидромашин.

Рабочим органом лопастной гидромашины является рабочее колесо, снабженное лопастями. Энергия от рабочего колеса жидкости (или, наоборот, от жидкости колесу) передается путем динамического взаимодействия лопастей с обтекающей их жидкостью. при этом происходит перемещение жидкости от центра колеса к его периферии (центробежные насосы) или в осевом направлении (осевые насосы).

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

Проточная часть насоса состоит из трех основных элементов: подвода, рабочего колеса и отвода. По подводу жидкость поступает в рабочее колесо в осевом направлении. Рабочее колесо состоит из двух дисков, между которыми находятся лопатки, изогнутые чаще всего в сторону, противоположную вращению. В рабочем колесе жидкость движется от оси колеса к его периферии и собирается в улиткообразном отводе. На выходе из отвода устанавливается диффузор для некоторого повышения давления.

Поток жидкости между лопатками характеризуется величиной и направлением абсолютной скорости жидких частиц , которая может быть определена путем сложения окружной скорости рабочего колеса и относительной скорости движения жидких частиц вдоль лопасти .

При большом числе лопастей относительное движение жидкости вдоль лопасти можно рассматривать как струйное, и скорости направлены по касательной к лопасти.

На основе закона об изменении момента количества движения Эйлером выведено основное уравнение лопастных гидромашин:

- для насоса;

- для турбины.

В турбине происходит обратное движение жидкости от периферии рабочего колеса к его центру.

Мощность, сообщаемая рабочим колесом жидкости:

, где

Q - подача жидкости насосом, м3/с.

9.3. Центробежные насосы

В технике применяются центробежные насосы самых различных конструкций, классифицируемых по следующим признакам:

1) По числу ступеней давления - одноступенчатые, двухступенчатые и многоступенчатые. Состоят из ряда последовательно насаженных на один вал рабочих колес. Жидкость с периферии первого колеса поступает на центр второго и так далее. При этом увеличивается напор (давление) на выходе насоса.

2) Насосы с односторонним и двухсторонним входом. При том же напоре насосы с двухсторонним входом обеспечивают большую подачу жидкость.

3) Насосы с вертикальным и горизонтальным валом. Наиболее распространенным типом центробежного насоса является одноступенчатый насос с односторонним входом и горизонтальным валом.

4) числу колес [одноступенчатые (одноколесные), многоступенчатые (многоколесные)]; кроме того, одноколесные насосы выполняют с консольным расположением вала – консольные;

5) напору [низкого напора до 2 кгс/см2 (0,2 МН/м2), среднего напора от 2 до 6 кгс/см2 (от 0,2 до 0,6 МН/м2), высокого напора больше 6 кгс/см2 (0,6 МН/м2)];

6) способу подвода воды к рабочему колесу [с односторонним входом воды на рабочее колесо, с двусторонним входом воды (двойного всасывания)];

7 способу разъема корпуса (с горизонтальным разъемом корпуса, с вертикальным разъемом корпуса);

8) способу отвода жидкости из рабочего колеса в спиральный канал корпуса (спиральные и турбинные). В спиральных насосах жидкость отводится непосредственно в спиральный канал; в турбинных жидкость, прежде чем попасть в спиральный канал, проходит через специальное устройство – направляющий аппарат (неподвижное колесо с лопатками);

9) степени быстроходности рабочего колеса (тихоходные, нормальные, быстроходные);

10 роду перекачиваемой жидкости (водопроводные, канализационные, кислотные и щелочные, нефтяные, землесосные и др.);

11) способу соединения с двигателем [приводные (с редуктором или со шкивом), непосредственного соединения с электродвигателем с помощью муфт]. Насосы со шкивным приводом встречаются в настоящее время редко.

Работа насоса характеризуется его подачей Q, напором HH, потребляемой мощностью NH, коэффициентом полезного действия hH и частотой вращения рабочего колеса.

Мощность насоса равна:

r - кг / м3 ; g - м / с2 ; Q - м3 / с ; HH - м ; NТЕОР - Вт

Коэффициент полезного действия насоса учитывает: механические потери, объемные потери и гидравлические потери:

Механические потери обуславливаются трением в подшипниках и в уплотнениях вала рабочего колеса. Характеризуются hМ.

Объемные потери связаны с перетеканием жидкости из отвода рабочего колеса через зазоры обратно в подвод. Характеризуется hО.

Гидравлические потери связаны с преодолением жидкостью гидравлического сопротивления аодвода, рабочего колеса и отвода. Характеризуется hГ.

9.4. Гидродинамические передачи

Гидродинамические передачи (гидропередачи) состоят из соосно расположенных и предельно сближенных в общем корпусе рабочих органов лопастного насоса и гидравлической турбины. Они передают мощность от первичного двигателя приводимой машине посредством потока жидкости. Жесткое соединение входного и выходного валов при этом отсутствует.

Гидропередачи разделяют на гидродинамические муфты (гидромуфты), которые передают мощность, не изменяя момента, и гидродинамические трансформаторы (гидротрансформаторы), способные изменять передаваемый момент.

Гидромуфты состоят из расположенных в общем корпусе 3 насосного колеса 1 и турбинного колеса 2. Насосное колесо соединено с валом двигателя, а турбинное колесо соединено с валом приводимой машины.

Лопасти насосного и турбинного колес прикреплены к торообразным направляющим поверхностям, которые образуют рабочие полости, в которых циркулирует поток жидкости (чаще всего маловязкого минерального масла), обтекающий лопасти колес.

Насосное колесо получает энергию от двигателя и сообщает посредством своих лопастей жидкости. Поток жидкости обтекает лопасти турбинного колеса, приводит его во вращение и сообщает при этом энергию, используемую приводной машиной.

Гидропередачи способны ограничивать момент сопротивления M2 и согласовывать его пульсации при неравномерной нагрузке ударного характера. Этим они защищают двигатель и механическую часть трансмиссии от перегрузок. Гидропередачи устраняют перегрузки при пусках двигателя и разгоне приводимых объектов с большой инерцией.

В гидротрансформаторах между насосным и турбинным колесами устанавливают колесо реактора. Это дает возможность бесступенчатого изменения передаваемого момента в зависимости от изменения частоты вращения выходного вала. При возрастании сопротивления потребителя и следовательно, при снижении частоты вращения выходного вала передаваемый момент увеличивается. При этом улучшается использование двигателя по мощности.

9.5. Объемные гидромашины.

9.5.1. Принцип действия и основные параметры объемных гидромашин.

Под общим названием объемные гидромашины объединяют объемные насосы и гидродвигатели. Объемные насосы служат для подачи жидкости под давлением, а гидродвигатели - для преобразования потенциальной энергии давления жидкости в механическую исполнительного органа. В современных гидроприводах применяют настолько высокое давление, что по сравнению с ними скоростной и геометрический напоры пренебрежимо малы. Поэтому расчет преимущественно ведется в давлениях, а не в напорах.

Отличительной особенностью объемных гидромашин является возвратно-поступательное или вращательное движение вытеснителя, выполненного в виде скользящего или вращающегося поршня. В объемной гидромашине под воздействием поршня происходит изменение потенциальной энергии давления при практически неизменных величинах кинетической энергии и потенциальной энергии положения.

По конструкции объемные гидромашины разделяют на поршневые, роторно-поршневые, роторно-пластинчатые и роторно-зубчатые. Объемные гидромашины могут выступать в роли насоса и в роли гидродвигателя, т. е. они взаимо обратимы.

Принцип действия объемных гидромашин можно показать напримере поршневого насоса.

При движении поршня вправо давление в рабочей полости уменьшается. Выпускной клапан 3 закрывается, а впускной клапан 4 открывается и жидкость под действием атмосферного давления устремляется в рабочую полость насоса.

При движении поршня налево, впускной клапан закрывается, а выпускной, наоборот, открывается и жидкость из рабочей зоны вытесняется в поглотительный трубопровод.

Благодаря таким циклическим движениям поршня осуществляется подача жидкости в трубопровод.

Давление p, создаваемое насосом:

При полной герметичности рабочего объема подача жидкости объемной гидромашины не зависит от давления. Теоретически подача определяется величиной рабочего объема и частотой циклов n:

,

где s - ход поршня.

Теоретическая характеристика объемной гидромашины представляет вертикальную линию.

В действительности рабочий объем невозможно выполнить абсолютно герметичным. При любом давлении имеют место утечки жидкости через зазоры в поршне и клапанах. Кроме того, во избежание поломки ОГМ от чрезмерно большого давления в гидросистеме устанавливают предохранительный клапан на определенной давление pA.

Поэтому действительная подача Q будет меньше теоретической и равна:

; - объемный кпд.

9.5.2. Конструктивные схемы ОГМ и их основные характеристики.

9.5.2.1. Характеристики поршневого насоса.

Принципиальная схема схема работы поршневого насоса рассмотрена ранее. Подача поршневого насоса:

,

где V0 - рабочий объем, равный

,

где s0 - ход поршня;

h0 - объемный кпд насоса, учитывающий утечки жидкости;

n - частота циклов.

Достоинством поршневого насоса является их способность к самовсасыванию.

Подача поршневого насоса пульсирующая ввиду наличия двух тактов:

*  всасывание жидкости в рабочую полость;

*  вытеснение жидкости в питательный трубопровод.

9.5.2.2. Роторно-поршневые гидромашины

Подача одноцилиндровых поршневых насосов отличается большой неравномерностью. В некоторых случаях это неприемлемо. Для устранения неравномерности подачи можно идти по пути увеличения числа цилиндров, которые объединяются в одном блоке, а движение поршней сдвинуто по фазе относительно друг друга.

Вытеснение жидкости осуществляется несколькими поршнями последовательно, приводимыми в движение двигателями вращательного действия. Такие многоцилиндровые поршневые гидромашины называют роторно-поршневые. Характерной особенностью таких машин является отсутствие всасывающих и питательных клапанов.

Различают радиально-поршневые и аксиально-поршенвые гидромашины.

В радиально-поршневых гидромашинах ротор 1 расположен эксцентрично статора 2. В роторе имеются радиальные цилиндрические отверстия - цилиндры. Поршень 3 при вращении ротора совершает в цилиндре возвратно-поступательные движения, скользя своими сферическими головками по внутренней поверхности статора. Донышки цилиндра имеют сверления и сообщаются поочередно с верхним и с нижним сегментами распределительной цапоры: 5 - нагнететельным и 4 - всасывающим.

Таким образом, при данном направлении вращения ротора верхний поршень будет двигаться под действием пружины вверх и совершать такт всасывания жидкости, а нижний поршень будет двигаться к донышку цилиндра и вытеснять жидкость в нагнетательный сегмент. За один оборот ротора поршень совершает полный цикл: всасывание и нагнетание. Но поскольку цилиндров несколько и они сдвинуты по фазе, подача становится более равномерной:

Роторно-поршневые насосы обратимы. Они могут работать в качестве насоса и в качестве двигателя.

У аксиально-поршневых гидромашин цилиндры расположены в аксиальном направлении.

9.6. Роторные гидромашины.

Роторно-пластинчатые гидромашины.

Роторно-пластинчатые гидромашины являются одними из наиболее простых объемных гидромашин. Рассмотрим схему роторно-пластинчатого насоса.

Ротор 1 размещен между двумя, плотно прижатыми к нему дисками. В радиальных пазах ротора установлены пластины 3. Ось ротора расположена эксцентрично по отношению к статору 2.

Прижатые к статору с помощью пружин пластины вращаются вместе с ротором, совершая в пазах возвратно-поступательные движения.

Из-за эксцентриситета объем между поастинами в левой верхней части увеличивается, давление уменьшается и туда устремляется жидкость. Жидкость из всасывающей полости переносится в нагнетательную полость, где объем между пластинами уменьшается и вытесняется в нагнетательный трубопровод.

Подача роторно-пластинчатого насоса:

,

где e - эксцентриситет;

r - внутренний радиус статора;

b - ширина пластин;

n - частота вращения ротора.

Роторно-пластинчатые гидромашины обратимые.

9.7. Шестереночные насосы.

Конструкция шестереночного насоса предельно проста. Главными рабочими деталями являются две одинаковые шестерни, находящиеся в зацеплении и помещенные в корпус между двумя плотно прижатыми к ним дисками.

При вращении шестерен в зоне А выхода зубьев из зацепления образуется разрежение (вакуум) и туда устремляется жидкость из всасывающего трубопровода, заполняя пространство между зубьями. Далее жидкость переносится в зону B, где в пространство между зубьями одной шестерни входят зубья другой шестерни, вытесняя жидкость в нагнетательный трубопровод.

Подача жидкости:

,

где 2×m - высота зуба ( m - модуль зацепления );

DН - диаметр начальной окружности шестерни;

b - ширина шестерни;

n - частота вращения.

Шестереночные объемные гидромашины обратимые.

9.8. Винтовые гидромашины.

Основными рабочими органами винтовой гидромашины являются винты, размещенные в корпусе, с весьма малым зазором.

Впадины между зубьями винтов заполняются жидкостью, которая при вращении винта переносится из всасывающей полости в нагнетательную.

По числу винтов различают: одно, двух и трехвинтовые гидромашины. Наибольшее распространение получили трехвинтовые гидромашины с циклоидальным зацеплением.

Подача винтового насоса:

,

где k - коэффициент, зависящий от геометрических характеристик нарезки;

DН - диаметр основной окружности ведущего винта;

n - частота вращения.

9.9.Рабочие жидкости ОГМ

В зависимости от назначения гидромашины рабочей жидкостью могут быть самые различные жидкости: вода, нефтяные масла, синтетические жидкости, спиртово-глицериновые смеси и другие.

Принципиально, объемные гидромашины могут работать на всякой капельной жидкости. Однако рабочая жидкость, выполняя функцию промежуточной Среды, одновременно является и смазывающим веществом для деталей гидромашины. Поэтому к жидкости предъявляются противоречивые требования: с одной стороны, для уменьшения гидравлических потерь жидкость должна обладать малой вязкостью, а с другой стороны, для уменьшения утечек через зазоры и уплотнения жидкость должна образовывать прочную масляную пленку. Наиболее полно этим требованиям удовлетворяют маловязкие нефтяные маста высокой очистки.

Свойства рабочей жидкости оказывают существенное влияние на работоспособность и долговечность гидромашин. К рабочим жидкостям предъявляются следующие требования:

1. Рабочие жидкости в уплотнениях должны создавать прочную масляную пленку.

2. Для обеспечения высокой точности, долговечности и безотказной работы жидкость должна обладать антикоррозионными свойствами.

3. Рабочая жидкость должна обладать малой вязкостью и хорошими вязкостно-температурными свойствами в пределах определенного диапазона температур.

4. Жидкость должна быть чистой и однородной.

5. Рабочая жидкость должна иметь стабильный модуль упругости. Она не должна поглощать и выделять газы, особенно при больших перепадах давления.