Теоретические сведения

Роторным называется объемный насос с вращательным и возвратно-поступательным движением рабочих органов независимо от характера движения ведущего звена насоса. К ним относятся зубчатые (шестеренные), винтовые, шиберные, роторно-поршневые и другие насосы.

Особый характер процессов всасывания и вытеснения жидкой среды в роторных насосах, перенос рабочих камер с жидкостью из полости всасывания в полость нагнетания позволяет отказаться в конструкции этих насосов от всасывающих и нагнетательных клапанов.

Роторный насос, как правило, состоит из статора (неподвижного корпуса), ротора, жестко связанного с ведущим валом насоса, и вытеснителей. Рабочий процесс роторного насоса можно разделить на три этапа; 1) заполнение рабочих камер жидкостью из полости всасывания; 2) замыкание рабочих камер и перенос их из полости всасывания в полость нагнетания; 3) вытеснение жидкости из рабочих камер в полость нагнетания.

Конструктивные особенности роторных насосов, их рабочий процесс позволяют указать на ряд характерных свойств:

- обратимость — возможность переводить насос в режим гидромотора;

- значительная быстроходность (частота вращения ротора может достигать 5000...7000 мин-¹);

- высокая равномерность подачи, обусловленная большим количеством рабочих камер;

- сравнительно малая подача и высокое давление;

- самовсасывание — способность создавать вакуум, достаточный для подъема жидкой среды во всасывающем трубопроводе до уровня расположения насоса (разумеется, в пределах допускаемой высоты всасывания). Роторные насосы и гидромоторы могут быть регулируемыми, если в их конструкции предусмотрена возможность изменять рабочий объем, или нерегулируемыми.

Шестеренные гидромашины. Шестеренные гидромашины, особенно шестеренные насосы (рис. 4.1), в силу простоты конструкции получили широкое распространение. Шестеренным называют зубчатый насос с рабочими органами в виде шестерен, обеспечивающих геометрическое замыкание рабочей камеры и передающих крутящий момент. В простейшем случае это пара шестерен» находящихся в зацеплении, установленная в плотно охватывающем корпусе (с малыми зазорами). При вращении шестерен жидкость, заполняющая их впадины, переносится из полости всасывания в полость нагнетания, где при вступлении очередной пары зубьев в зацепление происходит вытеснение жидкости, перенесенной во впадине одной шестерни зубом другой шестерни.

Рис. 4.1. Шестеренный насос.

Рабочий объем шестеренной гидромашины:

где — модуль зацепления; — число зубьев; b — ширина шестерни; — диаметр начальной окружности.

Подача шестеренного насоса:

где — объемный КПД, = 0,70...0,95.

Винтовые гидромашины. Они представлены в технике, главным образом, насосами. К винтовым относят роторно-вращательные насосы с перемещением жидкой среды вдоль оси вращения рабочих органов. Наибольшее распространение получили трехвинтовые насосы с циклоидальным зацеплением (рис. 4.2), отличающиеся высоким напором, равномерностью подачи, бесшумностью работы.

Рис. 4.2. Насос с циклоидальным зацеплением.

Трехвинтовой насос имеет три винта, установленных на цапфах параллельно друг другу в плотно охватывающем корпусе. Средний винт — ведущий, два других винта, находящиеся с ним в зацеплении,— ведомые. Торцы всех винтов открываются с одной стороны во всасывающую полость насоса, с другой — в нагнетательную. При вращении ведущего винта жидкость, заполняющая его впадины, подобно гайке, удерживаемой от вращения на вращающемся винте, перемещается в осевом направлении от всасывающей полости к нагнетательной. Роль гребенки, удерживающей жидкость от вращения вместе с ведущим винтом, играют два других винтазамыкателя.

При повороте ведущего винта насоса на один оборот жидкость, заполняющая пазы всех винтов, перемещается вдоль их осей на расстояние одного шага винта т. Площадь поперечного сечения каналов, образованных винтовыми пазами, равна разности площади сечения расточки корпуса и площади сечения S_a винтов. Рабочий объем винтового насоса:

Рабочий объем можно вычислить по следующим соотношениям;

- для насоса с двумя одинаковыми винтами:

где и — соответственно наружный и внутренний диаметры винта; — для насоса с тремя одинаковыми винтами:

где — внутренний диаметр ведущего винта или наружный диаметр ведомого винта. Шаг винта, как правило, находится из соотношения:

Пластинчатые гидромашины. Пластинчатый насос — это шиберный насос, в число рабочих органов которого входят шиберы, выполненные в виде пластин.

Устройство простейшего пластинчатого насоса однократного действия схематически показано на (рис. 4.3.). В цилиндрической расточке корпуса насоса — статоре эксцентрично вращается цилиндрический ротор, имеющий радиальные пазы, в которых установлены пластины-вытеснители.

Рис. 4.3. Пластинчатого насос однократного действия. Рис. 4.4. Пластинчатого насос двукратного действия.

При вращении ротора пластины прижимаются к внутренней поверхности статора центробежными силами либо специальными пружинами. Объем, заключенный между соседними пластинами, по мере вращения ротора изменяется по величине. В зоне всасывания увеличивающийся объем между пластинами заполняется жидкостью. В зоне нагнетания этот объем уменьшается и жидкость из него вытесняется в напорную линию. Рабочий объем пластинчатого насоса однократного действия приближенно:

где — ширина пластины; — ексцентриситет; — радиус статора; — число пластин; — толщина пластины.

В пластинчатом насосе двукратного действия (рис. 4.4) подача жидкости из каждой рабочей камеры за один оборот ротора производится дважды. Ротор в таком насосе установлен концентрично статору ( = 0), внутренняя поверхность которого имеет специальный профиль, близкий к эллиптическому. Предусматриваются два всасывающих и два нагнетательных окна, расположенные диаметрально противоположно. Рабочий объем насоса двукратного действия:

где и — соответственно большая и малая полуоси профиля поверхности статора.

Рабочий объем и подачу пластинчатого насоса однократного действия можно регулировать путем изменения эксцентриситета .

Радиально-поршневые гидромашины. Радиально-поршневой насос — это роторно-поршневой насос, у которого ось вращения ротора перпендикулярна к осям рабочих органов или составляет с ними угол более 45°. Схема радиально-поршневого насоса дана на (рис. 4.5), В теле ротора 1 предусмотрено несколько радиальных цилиндров, в которых установлены поршни 2. Ось вращения ротора смещена на величину относительно оси обоймы 3 статора. Поршни всегда прижимаются к обойме центробежными силами, а также пружинами, находящимися в цилиндрах ротора.

Рис. 4.5. Радиально-поршневой насос.

При вращении ротора поршни совершают возвратно-поступательное движение относительно упомянутого ротора. При этом рабочие камеры (цилиндры) поочередно сообщаются со всасывающей полостью, когда поршни отходят от центра распределительного вала, и с нагнетательной полостью, когда они движутся к центру вала, вытесняя жидкость в напорную линию.

Рабочий объем радиально-поршневого насоса:

где — диаметр цилиндра; —ексцентриситет; — количество цилиндров. Подача насоса с учетом объемного КПД ( = 0,7...0,9) определяется по формуле. Радиально-поршневые гидромашины многократного действия часто применяются в качестве высокомоментных гидромоторов.

Аксиально-поршневые гидромашины. Аксиально-поршневым называют роторно-поршневой насос, у которого ось вращения ротора параллельна осям рабочих органов или составляет -о ними угол менее или равный 45°. Устройство аксиально-поршневого насоса показано на (рис. 4.6.).

Рис. 4.6. Аксиально-поршневой насос.

В роторе 1 параллельно оси его вращения равномерно по окружности диаметра выполнено несколько сквозных цилиндрических отверстий, которые с одной стороны закрыты подвижными поршнями 2, а с другой — диском 3, который выполняет функции распределительного золотника. Поршни 2 своими выступающими сферическими торцами с помощью пружин 4 постоянно прижаты к наклонному диску 5, установленному в корпусе насоса на упорном подшипнике под углом у к оси ротора, который приводится во вращение валом 6, При вращении рала поршни 2 совершают возвратно-поступательное движение относительно ротора, причем за один оборот ротора каждый поршень совершает один всасывающий и один нагнетательный ход. Распределительный диск 3 при этом не вращается. Имеющиеся в нем два дугообразных окна соединены: одно со всасывающим, другое е нагнетательным каналами насоса. Рабочий объем насоса:

где — диаметр поршня; — количество поршней.

В технике широко применяют аксиально-поршневые насосы с наклонным блоком (рис. 4.7.).

Рис. 4.7 Аксиально-поршневой насос с наклонным блоком.

Некоторые типы аксиально-поршневых насосов допускают регулирование рабочего объема и подачи насоса изменением угла .

Аксиально-поршневые гидромашины получили значительное распространение в качестве регулируемых и нерегулируемых гидромоторов.

Характеристикой роторного насоса, как и всех объемных насосов, называют графическую зависимость основных технических показателей (объемной подачи, КПД и прочих) от давления при постоянных значениях частоты вращения, вязкости и плотности жидкой среды на входе в насос.

Типичная характеристика роторного насоса показана на (рис. 4.8.а) зависимость Q от р — ниспадающая кривая, так как с ростом давления увеличиваются утечки жидкости через зазоры, В ряде случаев характеристику роторного насоса представляют в виде зависимости от .

Рис. 4.8 Характеристика роторного насоса.

Характеристикой гидромотора называют зависимость частоты вращения вала п от расхода Q при постоянном перепаде давлений (рис. 4.8.г) Для каждого значения перепада давлений характеристика представляет собой практически прямую линию. При гидромотор работает в режиме холостого хода и характеристика проходит через начало координат. При повышении давления нагнетания увеличиваются утечки в гидромоторе и их компенсация осуществляется при определенной частоте вращения вала.

Практический интерес представляет и моментная характеристика гидромотора, являющаяся графической зависимостью крутящего момента на валу гидромотора от частоты вращения его вала при постоянных давлении и частоте вращения вала питающего насоса. Такая характеристика особенно полезна при расчетах и настройке объемного гидропривода с машинным управлением.

2. Ход работы.

1. Шестеренный насос развивает давление при частоте вращения п. Определить потребляемую им мощность, если ширина шестерни , диаметр начальной окружности , число зубьев , объемный КПД , КПД насоса .

Варианты заданий:

№ Варианта	0	1	2	3	4	5	6	7	8	9
, МПа	6,5	5,0	5,2	5,4	5,6	5,8	6,7	6,9	6,5	6,6
п,	1200	1100	1150	1200	1100	1150	1200	1250	1250	1150
, мм	30	24	25	26	27	28	30	32	34	25
, мм	60	50	54	58	60	50	54	58	60	62
	8	6	8	10	6	8	10	6	8	10
	0,85	0,80	0,82	0,84	0,85	0,80	0,82	0,84	0,80	0,82
	0,72	0,70	0,72	0,72	0,70	0,72	0,72	0,70	0,72	0,70

Пример:

Находим модуль зацепления:

Рабочий объем:

Подача насоса:

Полезная мощность насоса:

Мощность насоса:

2. Определить основные геометрические размеры шестеренного насоса (диаметр начальной окружности, диаметр окружности выступов, ширину шестерни) и мощность по следующим исходным данным подача насоса , давление , частота вращения п, объемный КПД , КПД насоса , число зубьев , модуль зацепления .

Варианты заданий:

№ Варианта	0	1	2	3	4	5	6	7	8	9
, л/с	2	1,5	2,5	2	1,5	2,5	2	1,5	2,5	1,5
, МПа	16	15	15,5	16	16,5	15	15,5	16	16,5	15,5
п,	1440	1330	1220	1550	1440	1250	1350	1450	1500	1550
	0,9	0,85	0,9	0,95	0,95	0,85	0,90	0,95	0,95	0,90
	0,85	0,80	0,82	0,85	0,90	0,80	0,85	0,80	0,85	0,80
	16	14	16	18	20	16	14	18	20	16
, мм	4	3	4	4	3	4	4	3	4	3

Пример:

Находим идеальную подачу насоса:

Вычисляем диаметр начальной окружности шестерни для обычного эвольвентного зацепления:

Диаметр окружности выступов:

Ширина шестерни:

Мощность насоса:

3. Определить крутящий момент и частоту вращения вала шестеренного гидромотора при расходе рабочей жидкости , если давление на входе в гидромотор , а давление на выходе , Ширина шестерни , модуль зацепления , число зубьев , механический КПД , объемный КПД .

Варианты заданий:

№ Варианта	0	1	2	3	4	5	6	7	8	9
, л/с	0,8	0,6	0,7	0,9	0,8	0,6	0,7	0,9	0,7	0,9
, МПа	10,5	10,5	7,5	8	8,5	9,5	10	11	11,5	12
, МПа	0,5	0,4	0,5	0,6	0,7	0,5	0,4	0,5	0,6	0,7
, мм	32	27	28	29	30	31	33	34	35	32
, мм	4	3	4	5	6	4	3	4	5	6
	20	15	16	17	18	19	20	21	22	23
	0,8	0,8	0,82	0,83	0,85	0,8	0,8	0,82	0,83	0,85
	0,90	0,92	0,95	0,90	0,95	0,90	0,92	0,95	0,90	0,95

Пример:

Находим рабочий объем гидромотора и частоту вращения его вала: ;

Определяем перепад давления на гидромоторе и крутящий момент:

;

4. Определить мощность -пластинчатого насоса однократного действия если вакуум на входе , манометрическое давление, развиваемое насосом, , радиус статора , число пластин , толщина пластин , ширина пластины , эксцентриситет , частота вращения ротора п, объемный КПД , полный КПД насоса . Диаметры всасывающей и напорной гидролиний одинаковы.

Варианты заданий:

№ Варианта	0	1	2	3	4	5	6	7	8	9
, кПа	30	20	22	24	26	28	30	32	34	36
, МПа	1,5	1,1	1,2	1,3	1,4	1,6	1,7	1,8	1,9	1,5
, мм	30	20	22	24	26	28	30	32	34	36
	8	6	7	8	9	10	8	6	7	8
, мм	2	3	4	5	2	3	4	5	3	2
, мм	30	25	26	27	28	29	32	33	34	30
, мм	3	4	5	6	3	4	5	6	3	4
п,	1000	900	910	920	930	950	1010	1020	1030	1100
	0,65	0,70	0,75	0,80	0,85	0,90	0,65	0,70	0,75	0,80
	0,55	0,60	0,65	0,70	0,75	0,80	0,55	0,60	0,65	0,70