Кривошипно-поршневі (кривошипно-плунжерні) насоси

ЗМІСТ

стор

ВВЕДЕННЯ………………………………………..............................................5

 

1.ЗАГАЛЬНІ ЗВЕДЕННЯ...……………………………………………………6

 

2. ГІДРОНАСОСИ……………………………………………………………...8

2.1. Загальні зведення...………………………………………………….......8

2.2. Шестеренні насоси...…………………………………………………..12

2.3. Кривошипно-поршневі

(кривошипно-плунжерні) насоси...…………………………………....14

2.4. Радіально-поршневі насоси...………………………………………....16

2.5. Аксіально-поршневі насоси...…………………………………...........19

2.6. Пластинчасті насоси...............................................................................22

 

3. ГІДРОДВИГУНИ………………………………………..............................24

3.1. Загальні зведення...…………………………………….........................24

3.2. Гідроциліндри...………………………………………………………..25

3.3. Розрахунок гідроциліндра на міцність і стійкість...……………........31

3.4. Поворотні гідродвигуни……………………………………………....33

 

4. ГІДРОАПАРАТУРА……………………………………………………….34

4.1. Загальні зведення...………………………………………………….....34

4.2. Направляюча гідроапаратура – розподільники

потоку робочої рідини...……………………………………………...36

4.3. Направляюча гідроапаратура – зворотні клапани

і гідрозамки...……………………………………………………….....39

4.4. Апаратура для керування тиском

робочої рідини...……………………………………………………....40

4.5. Апаратура для керування витратою

робочої рідини...……………………………………………………....42

4.6. Апаратура керування витратою в гідроприводах

с автоматичним керуванням……………………………………….....46

 

5. ДОПОМІЖНІ ПРИСТРОЇ ГІДРАВЛІЧНИХ СИСТЕМ…………………50

5.1. Загальні зведення...…………………………………………………….50

5.2. Гідроємності (гідробаки)...…………………………………………....50

5.3. Гідроємності (гідроакумулятори)...………………………………......51

5.4. Гідролінії...……………………………………………………………..53

5.5. Кондиціонери (гідроочисники)...…………………………………......54

5.6. Кондиціонери (теплообмінники)...…………………………………...56

5.7. Ущільнення гідропристроїв…………………………………………...57

 

6. ГІДРАВЛІЧНІ ПРИВОДИ В МЕТАЛУРГічному

УСТАТКУВАННІ………………………………………………..................58

 

СПИСОК РЕКОМЕНДУЄМОЇ ЛІТЕРАТУРИ...............................................62

 

 

ВВЕДЕННЯ

Інженер-механік у своїй практичній діяльності зв’язаний із проектуванням, розрахунком, виготовленням, монтажем, експлуатацією і ремонтом механізмів і машин, що можуть приводитися в рух за допомогою чотирьох видів приводів чи їх комбінацій. По масштабах застосування перше місце займає електромеханічний привод, друге – гідравлічний, третє – пневматичний. Останнє місце займає ручний привод, що застосовують або в початковій стадії механізації, або в особливо відповідальних механізмах для дублювання інших видів приводів у випадку виходу їх з ладу.

Широке використання гідравлічного приводу в різних галузях промисловості зобов’язано ряду його позитивних властивостей, що дозволяє йому з успіхом конкурувати з електричним приводом. Основ для усе більш широкого впровадження в практику машинобудування де кілька. Насамперед варто вказати на можливість створення високих тисків до  і навіть , що дозволяє реалізувати великі робочі зусилля на плунжерах (поршнях) при відносно малих їх розмірах. Крім того, гідрав-лічну енергію, як і електричну, можна передавати на відносно великі відстані по трубопроводах у будь-якому напрямку, вона може дробитися на будь-яке число частин. При використанні гідравлічної енергії особливо просто відтворюються прямолінійні й обертальні рухи робочого виконавчого механізму. Тому, поряд з електричним приводом, застосовуваним у даний час у металургійних машинах, варто розширювати використання     гідравлічного і пневматичного приводів, що мають свої переваги, особливо в застосуванні у допоміжних машинах і механізмах, рух виконавчих органів яких найбільш складний і різноманітний.

Оскільки як робоче тіло в гідравлічному приводі використовують рідину, необхідно вивчити закони механіки рідини. Цими задачами займається гідравліка, що у нашому курсі варто розглядати як теоретичну основу гідроприводу.

Дійсний навчальний посібник є собою конспективний виклад програмного матеріалу дисципліни.

 

 

Загальні відомості

Гідравлічний привід призначений для надавання руху робочим органам машин і механізмів. Розглянемо структурні схеми з електричним і гідравлічним приводом.

Система з електричним приводом (рис. 1) містить електродвигун ЭД, передачу ПЕР (як правило, що знижує), робочий орган РАБ, що може робити обертальний, зворотно-поворотний (неповно поворотний) чи зворотно-поступальний рух, і засобу для регулювання частоти обертання електродвигуна ЭРЕГ, а виходить, і швидкості руху робочого органа.

Система з гідравлічним приводом (рис. 2) містить двигун Д (електричний чи внутрішнього згоряння), гідронасос ГН (а можливо, і гідроакумулятор ГАК), гідродвигун ГД, гідравлічну регулюючу апаратуру ГРЕГ, робочий орган РАБ, що може робити обертальний, зворотно-поворотний чи зворотно-поступальний рух, і гідроємність для робочої рідини РЖ. На відміну від системи з електроприводом, регулювання швидкості робочого органа здійснюється, здебільшого, гідравлічними засобами.

Виходячи зі структурної схеми гідроприводу, ми надалі розглянемо гідромашини (насоси і гідродвигуни), гідроапаратуру, що регулює і всілякі допоміжні пристрої, не показані на структурній схемі.

Гідромашиною називають гідропристрій, призначений для перетворення енергії: у гідронасосі – механічної енергії приводного двигуна (електричний чи, рідше, двигуна внутрішнього згоряння) в енергію потоку робочої рідини, у гідродвигуні – енергії робочої рідини в механічну енергію обертального, поворотного чи поступального рухів.

Гідроапаратурою називають гідропристрої, призначені для керуванням потоком робочої рідини (напрямком потоку, тиском  і витратою ).

По характеру руху вихідної ланки гідродвигуна, зв’язаного з робочим органом, розрізняють гідропривід обертального, поворотного (менш ) і поступального руху.

По виду джерела енергії гідропривід розділяють на три типи: магістральний (у якому робоча рідина подається в гідродвигун від магістралі, що не входить до складу привода і живить централізовано багато приводів), насосний (насос входить до складу привода), акумуляторний (у який робоча рідина подається в гідродвигун від акумулятора, що заряджається, у свою чергу, насосом).

По характеру циркуляції робочої рідини насосний гідропривід буває з розімкнутим потоком (коли рідина від гідродвигуна надходить у гідробак, а потім з гідробака на вхід насоса) і з замкнутим потоком (коли рідина від гідродвигуна надходить безпосередньо на вхід насоса).

По характеру керування параметром руху вихідної ланки гідроприводи бувають:

а) із дросельним керуванням, чи дросельним регулюванням (за допомогою регулюючого гідроапарата – дроселя);

б) з машинним керуванням, чи об’ємним регулюванням (за допомогою регульованого насоса, чи регульованого гідромотора, чи обома машинами одночасно);

в) з машинно-дросельним керуванням

г) з керуванням двигуном (шляхом зміни частоти обертання двигуна насоса, що приводить).

Гідравлічний привід у порівнянні з електромеханічним приводом має визначені переваги і недоліки.

Переваги гідроприводу:

1. Робота при значно більш високій напруженості силового поля (тиск рідини в гідроприводі в  раз перевищує напруженість електромагнітного поля електродвигуна).

2. Малі габарити і питома маса гідропристроїв на одиницю переданої енергії (габарити і маса насоса і гідродвигуна при  складає  габаритів і маси електрогенератора й електродвигуна при тій же величині переданої потужності).

3. Мала інерційність гідромашин, у зв’язку з чим, відношення моменту, що розвивається, гідродвигуном, до моменту інерції на порядок вище, ніж в електродвигунів.

4. Безступінчате повідомлення швидкості робочому органу.

5. Можливість повідомлення робочому органу великих зусиль і моментів.

6. Можливість регулювання в широкому діапазоні швидкостей, тисків і зусиль.

7. Можливість точного регулювання положення робочого органа, керування послідовністю дії взаємозв’язаних механізмів.

8. Простота захисту від перевантаження.

9. Можливість конструювання систем будь-якої складності шляхом використання стандартних елементів (гідромашин і гідроапаратів).

Необхідно також враховувати недоліки гідроприводів:

1. Чутливість до якості робочої рідини (забрудненню, наявності розчиненого повітря, зміні витратних характеристик із зміною температури, стискальності, займистості) і ущільнювальних засобів.

2. Більш низький ККД, особливо при зносі гідромашин і деяких видів регулювання.

3. Необхідність більш високої культури і більш високого рівня обслуговування.

 

 

ГІДРОНАСОСИ

Загальні зведення

Гідронасосом називають машину для створення потоку рідкого середовища.

Гідронасос, у якому рідке середовище переміщається під силовим впливом на неї в камері, що постійно повідомляється з входом і виходом насоса, називають динамічним.

Гідронасос, у якому рідке середовище переміщається шляхом періодичної зміни обсягу займаної нею камери, що поперемінно повідомляється з входом і виходом насоса, називають об’ємним.

У гідроприводах машин застосовують переважно гідронасоси об’ємного типу, тому гідроприводи також називають об’ємними.

У техніці дуже велика кількість гідронасосів, всебічний опис яких (теорія, розрахунок, конструкція, експлуатація) викладено в спеціальних підручниках і монографіях. Ми тут обмежуємося розглядом деяких, найбільш розповсюджених у гідроприводах, видів об’ємних гідронасосів.

Розглянемо найбільш важливі поняття і визначення, що характеризують гідронасоси.

Під робочою камерою гідронасоса розуміють замкнутий простір з періодично збільшуємося і зменшуємося об’ємом, що поперемінно повідомляється з всмоктувальним і нагнітальним каналами. Заповнення рідини робочої камери з всмоктувального каналу відбувається внаслідок підйому рідини в всмоктувальній трубі за рахунок атмосферного тиску на рідину в баці. Витиснення рідини з робочої камери в нагнітальний канал здійснюється робочим органом гідронасоса – витискачем, яким є поршень, плунжер, пластина, зубчасте колесо й ін.

Робочий об’єм насоса  – різниця найбільшого і найменшого значень замкнутого об’єму за один його оборот (, , ).

Об’ємна подача насоса  – об’єм  подаваемої рідини в одиницю часу (, , ). Об'ємна подача  визначається як добуток робочого об’єму  на частоту обертання ведучого колеса насоса  ()

                                                                                                   (1)

Оскільки замкнутий об’єм при роботі насоса безупинно змінюється, миттєве значення подачі також змінюється.

Ступінь нерівномірності подачі насоса визначається по формулі

                                  (2)

де  – максимальне значення подачі;  – мінімальне значення подачі;  – середня подача.

Зазначена об’ємна подача є теоретичною  (геометричною, чи ідеальною). Фактична (ефективна) подача  трохи нижче за рахунок об’ємних втрат робочої рідини, обумовлених витоками, тобто перетіканням рідини з порожнини високого в порожнину низького тиску, і неповним заповненням робочих камер.

Об’ємний ККД гідронасоса

                                                                                      (3)

На величину  впливають зазори між витискачами і корпусом насоса, стискальність рідини, наявність у рідині розчиненого повітря й інші фактори.

Теоретична потужність на валу насоса

                                                                               (4)

де  – теоретична подача, ;  – перепад тисків на насосі, тобто різниця тисків на його вході і виході, .

Момент, що крутить, на валу насоса (теоретичний)

                                                                             (5)

де  – кутова швидкість вала насоса .

При роботі насоса мають місце втрати, обумовлені механічним тертям і гідравлічним опором, що створюють на валу додатковий момент , який потрібно переборювати.

Механічний ККД гідронасоса

                                                                      (6)

Повний, чи загальний ККД гідронасоса визначається як добуток об’ємного і механічного ККД

                                                                                       (7)

Іноді втрати напору на подолання гідравлічних опорів () враховують не в механічних втратах, а окремо.

У такому випадку вводять поняття гідравлічного ККД

                                                                            (8)

де  – напір насоса.

При цьому загальний ККД гідронасоса визначається

                                                                                  (9)

Необхідна потужність на валу насоса з урахуванням різних втрат

                                                                     (10)

Насоси з постійним робочим об’ємом називають нерегульованими, а з регульованим об’ємом – регульованими.

Якщо  – максимально можливий для даного насоса робочий об’єм, а  – поточне значення робочого обсягу, то

                                                                                    (11)

називається коефіцієнтом (чи безрозмірним параметром) регулювання. У регульованих насосах величина  змінюється в межах  за допомогою установки регулюючого органа. Для нерегульованих насосів .

Зміна знака коефіцієнта регулювання означає, що всмоктувальна лінія насоса стала нагнітальною, а нагнітальна – всмоктувальною.

Насос, у якого можлива зміна напряму руху подаваного рідкого середовища на протилежне, називається насосом з реверсивним потоком, чи просто реверсивним.

Насоси вибирають з каталогів, в основному (не вважаючи конструктивних і економічних розумінь), по двом параметрам – тиску  і подачі  (замість подачі іноді вказують робочий об’єм; у такому випадку повинна бути відома частота обертання  вала насоса). Для вибору приводного електродвигуна потрібно знати частоту  обертання вала насоса.

Назва насоса за принципом дії і конструкції часто визначають         (ДСТ 17398-72), виходячи з характеру руху ведучої ланки насоса і робочих органів.

Якщо ведуча ланка насоса робить обертальний рух, то насос називають обертальним.

Якщо робочі органи насоса (витискачі) роблять обертальний рух чи обертальний рух разом зі зворотно-поступальним, то (незалежно від характеру руху ведучої ланки) такий насос називається роторним.

Роторний насос з обертальним рухом робочих органів називають роторно-обертальним, а з обертальним разом зі зворотно-поступальним рухом – роторно-поступальним. Якщо в останньому випадку робочі органи насоса виконані у виді поршнів чи плунжерів, то такий насос називається роторно-поршневим, а якщо у виді пластин – пластинчастим.

Зворотно-поступальним називають насос із прямолінійним зворотно-поступальним рухом робочих органів (без їх обертання).

Ми розглянемо п’ять найбільш розповсюджених у гідравлічних приводах насосів:

Шестеренний насос – роторно-обертальний насос з переміщенням рідкого середовища в площині, перпендикулярній осі обертання робочих органів, що виконані у виді шестірень.

Кривошипно-поршневий насос – зворотно-поступальний насос з робочими органами у виді поршнів, з обертальним рухом ведучої ланки і з кривошипно-шатунним механізмом передачі руху до робочих органів.

Радіально-поршневий насос – роторно-поршневий насос, у якого вісь обертання перпендикулярна осям робочих органів (чи складає з ним кут більш ).

Аксіально-поршневий насос – роторно-поршневий насос, у якого вісь обертання ротора рівнобіжна осям робочих органів (чи складає з ними кут менш чи рівний ).

Пластинчастий насос – роторно-обертальний насос з переміщенням рідкого середовища в площині, перпендикулярній осі обертання робочих органів, що виконані у виді пластин.

Умовні позначення гідронасосів (ДСТ 2.782-68) на гідравлічних схемах показані на рис. 3: а) нереверсивний з постійною подачею; б) реверсивний з постійною подачею; в) нереверсивний з регульованою подачею; г) реверсивний з регульованою подачею.

 

Шестеренні насоси

Шестеренний насос є одним з найпростіших по конструкції. Він складається (рис. 4) із двох звичайно однакових по діаметру, що зчіплюються шестірень  і , з яких одна (наприклад, ) – ведуча, поміщених у корпус . Робоча рідина з всмоктувального трубопроводу  переміщається в нагнітальний трубопровід  у западинах між зубами обох шестірень.

Робочий обсяг насоса

                                               (12)

де  – кількість шестірень;  – модуль;  – висота зуба;  – діаметр початкової окружності;  – довжина зуба (ширина насоса);  – площа западин між зубами (коефіцієнт приблизний).

Подача насоса середня

                      (13)

де  – частота обертання шестірні,  (тому що об’єм западин трохи більше об’єму зубів, приймають замість величину ).

Визначимо закон зміни подачі при обертанні шестірень. Нехай А – крапка зачеплення. Позначимо  і , тиск у лінії всмоктування ,  – радіус початкової окружності шестірень.

Необхідний момент, що крутить,  на шестірні

                        (14)

де вираження в першій квадратній дужці являє собою силу, що діє на частину голівки зуба (від його вершини до крапки  зачеплення), у другій дужці – плече цієї сили щодо осі шестірні.

Перетворимо (14), одержуємо

                                                           (15)

Аналогічно момент, що крутить, на  шестірні

                                                          (16)

Загальний момент

                            (17)

З  і ,

                          .

Звідси  де  – довжина ліній зачеплення.

Підставляємо останнє вираження в (17), одержуємо

                                                              (18)

Тому що миттєва потужність , то

                                                                 (19)

Оскільки  – змінна величина, функція кута повороту шестірні, миттєве значення подачі також змінюється в залежності від положення шестірні. Кутовий період цієї періодичної функції , де  – число зубів шестірні. Частота пульсації .

Максимальне значення подача приймає при

                                                                         (20)

Мінімальне – при  (при коефіцієнті перекриття зубчатого зачеплення, рівному 1)

                                                                                   (21)

Ступінь нерівномірності подачі

                                                                                (22)

Шестеренні насоси для загально машинобудівних потреб випускають з наступними параметрами: тиск , подача , частота обертання  (від  до ), об’ємний к.к.д. , загальний к.к.д. . Для спеціальних цілей зазначені параметри досягають наступних величин: тиск – до , іноді , , , частота обертання – , об’ємний к.к.д. – до , загальний к.к.д. – , подача – до .

 

Кривошипно-поршневі (кривошипно-плунжерні) насоси.

Розглянемо кривошипно-поршневий насос (рис. 5) з одним плунжером. У його основу покладений кривошипно-повзунний механізм. Він складається з кривошипа  (довжиною ), шатуна  (довжиною ), повзуна , направляючі повзуна , плунжера , корпуса , всмоктувального  і нагнітального  клапанів. При руху плунжера вправо відбувається витиснення рідини з корпуса насоса через клапан  у нагнітальну лінію. При руху плунжера вліво клапан  тиском рідини в нагнітальній лінії закривається. У корпусі  насоса створюється розширення, завдяки чому робоча рідина з всмоктувальної лінії через всмоктувальний клапан заповнює робочу камеру насоса. При цьому подача рідини в нагнітальну лінію не відбувається. Кутова швидкість обертання кривошипа . Відношення довжин кривошипа і шатуна .

Робочий об’єм насоса

                                                                                  (23)

де  – площа плунжера.

Середня подача

                                                                        (24)

Визначимо миттєве значення подачі у функції кута повороту кривошипа. Нехай кут повороту кривошипа від вихідного положення (  ) дорівнює . Тоді переміщення плунжера від вихідного положення

Тут  – кут нахилу шатуна до лінії дії плунжера. З геометричних співвідношень .

Оскільки , величиною  в порівнянні з  можна зневажити. Тоді  і .

Швидкість плунжера

                                                                  (25)

Подача насоса

                                                         (26)

Графік подачі одноплунжерного насоса показаний на рис. 6, а.

Для згладжування такої явної нерівно-мірності застосовують багато плунжерні насоси, у кожного з який кривошип зрушать стосовно криво шипа сусіднього насоса на кут , де  – число плунжерів насоса.

Наприклад, для трьохплунжерного насоса подача першого насоса , подача другого насоса , подача третього насоса .

Графік подачі трьохплунжерного насоса представлений на рис. 6, б.

З графіка видно, що нерівномірність подачі зі збільшенням числа плунжерів значно знижується.

На основі теоретичних висновків отримані наближені формули для розрахунку нерівномірності в залежності від числа плунжерів:

при парному                (27)

при непарному            (28)

Звідси видно, наприклад, що з погляду рівномірності подачі вигідно мати трьохплунжерний насос (), чим чотирьохплунжерний ().

Кривошипно-плунжерні насоси широко застосовуються в насосно-акумуляторних установках пресів. Вони працюють на тиску до  і розвивають подачу до .