МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Красноярский государственный технический университет
В.В. Абрамов
ОБЪЕМНЫЕ ГИДРОМАШИНЫ
Методические указания
Часть I
Красноярск
2003 г.
2
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Объемная гидромашина – это гидроустройство, предназначенное для
преобразования механической энергии рабочей среды в процессе попеременного заполнения рабочей камеры рабочей средой и вытеснения ее из рабочей
камеры. Под рабочей камерой понимается пространство внутри объемной
гидромашины, ограниченное рабочими поверхностями деталей, периодически изменяющее свой объем и попеременно сообщающееся с местами входа
и выхода рабочей среды.
Объемные гидромашины весьма разнообразны по конструкции и назначению, поэтому в технических характеристиках различных видов гидромашин указываемые основные параметры несколько отличаются.
В технической характеристике насосов должны быть указаны следующие параметры:
– рабочий объем номинальный и минимальный;
– частота вращения номинальная, максимальная и минимальная;
– подача номинальная и минимальная;
– давление на выходе номинальное и максимальное;
– давление на входе максимальное и минимальное;
– максимальное давление дренажа;
– коэффициент подачи;
– КПД;
– масса (без рабочей жидкости);
– мощность номинальная;
– октавные уровни звуковой мощности;
– удельная металлоемкость (отношение массы к мощности).
Из указанных выше параметров основными для насосов являются номинальное давление на выходе, номинальная частота вращения и номинальный
рабочий объем.
В технической характеристике гидромоторов указывают следующие параметры:
– рабочий объем номинальный и минимальный;
– частота вращения номинальная, максимальная и минимальная;
– расход номинальный и минимальный;
– давление на входе номинальное и максимальное;
– давление на выходе максимальное и минимальное;
– номинальный перепад давлений;
– максимальное давление дренажа;
– гидромеханический КПД;
– КПД;
– масса (без рабочей жидкости);
– номинальная мощность эффективная;
3
крутящий момент номинальный и страгивания;
момент инерции вращающихся масс;
октавные уровни звуковой мощности;
удельная металлоемкость (отношение массы к крутящему моменту).
Для гидромоторов основными параметрами являются: номинальное давление на входе, номинальный перепад давлений, номинальная частота вращения и номинальный рабочий объем.
Рабочий объем гидромашины – это сумма разностей наибольших и наименьших объемов всех рабочих камер гидромашины за один оборот ведущего вала или двойной ход ведущего звена. В технической характеристике рабочий объем удобно указывать в см3, так как его величина для гидромашин
объемного гидропривода обычно находится в пределах от 1 до 10000 см3. В
нерегулируемых насосах и гидромоторах рабочий объем имеет только одно
номинальное значение, поэтому параметр “рабочий объем минимальный”
опускается. Если в гидромашине рабочая жидкость вытесняется из рабочей
камеры один раз за один оборот ведущего звена, её называют гидромашиной
однократного действия, если два – гидромашиной двукратного действия, если более двух – насосом многократного действия.
Различают объемную и идеальную подачу насоса. Объемная подача насоса это отношение объема подаваемой насосом жидкости ко времени. Идеальная подача насоса это сумма объемной подачи и объемных потерь насоса.
Идеальная подача для вращательных насосов определяется следующим образом:
Qи=10-6V0n,
(1)
3
3
где Qи – идеальная подача насоса, м /с; V0 – рабочий объем насоса, см ; n –
частота вращения ведущего вала насоса, с-1.
Так как гидромоторы не создают поток жидкости, а потребляют его, у
них термин объемная подача заменяется термином расход. Объемный расход
гидромотора это отношение объема потребляемой гидромотором жидкости
ко времени.
Наряду с давлением на выходе насоса и давлением на входе в насос
важным параметром является давление насоса, величина которого определяется следующей зависимостью:
p  p2  p1  0.5   (v22  v12 )    g (Z 2  Z1 ) ,
(2)
где p – давление насоса, Па; p2 и p1 – давление на выходе и входе в насос,
Па;  – плотность рабочей жидкости, кг/м3; v22 и v12 – скорость рабочей
жидкости на выходе и входе в насос, м/с; g – ускорение свободного падения,
м/с2; Z2 и Z1 – высота центра тяжести сечения выхода и входа в насос, м.
Мощностью насоса называют мощность, потребляемую насосом.
Номинальной мощностью насоса называют мощность, потребляемую
насосом при номинальном давлении и номинальной подаче:
–
–
–
–
4
Pном 
Qном  p ном
н
,
(3)
где Pном – номинальная мощность насоса, Вт; Q ном– номинальная подача насоса, м3/с; pном – номинальное давление насоса, Па; н – КПД насоса.
Также мощность насоса можно определить по формуле:
(4)
P  M кр   ,
где M кр – крутящий момент на валу насоса, Н·м;  – угловая скорость вала
насоса, рад/с.
Угловую скорость вала гидромашины определяют по следующей зависимости:
(5)
  2  n ,
где  – угловая скорость вала гидромашины, рад/с; n – частота вращения вала гидромашины, с-1.
Полезная мощность насоса – это мощность, сообщаемая насосом подаваемой рабочей жидкости:
Pп=Q  p,
(6)
3
где Pп – полезная мощность насоса, Вт; Q – подача насоса, м /с.
КПД насоса определяют по следующей зависимости:
P
(7)
н  п .
P
Коэффициент подачи насоса определяется как отношение подачи насоса
к его идеальной подаче:
Q
,
(8)
KQ 
Qи
где KQ –коэффициент подачи насоса. На величину коэффициента подачи насоса влияют многие факторы: герметичность насоса, давление, температура рабочей жидкости, сжимаемость рабочей жидкости, полнота заполнения
рабочих камер, количество нерастворенного газа в жидкости и величина давления парообразования жидкости.
Объемный КПД гидромашины характеризует её герметичность и определяется следующим образом:
Pп
об.гм 
,
(9)
Pn  PQ
где об.гм – объемный КПД гидромашины; PQ – мощность, потерянная с
утечками, Вт.
Механический КПД гидромашины выражает относительную долю механических потерь и определяется следующим образом:
Pп
 м ех. м 
,
(10)
Pn  Pм ех
5
где мех.гм – объемный КПД гидромашины; Pмех – мощность, потерянная на
механическое трение, Вт.
Гидравлический КПД гидромашины выражает относительную долю
гидравлических потерь и определяется следующим образом:
Pп
,
(11)
 г.гм 
Pn  Pг
где г.гм – гидравлический КПД гидромашины; Pг – мощность, затраченная
на преодоление рабочей жидкостью гидравлических сопротивлений в гидромашине, Вт.
КПД гидромашины определяется как произведение объемного, гидравлического и механического КПД гидромашины:
(12)
гм  об.гм г.гм  м ех.гм
где об.гм ,г.гм , м ех.гм – соответственно объемный, гидравлический и механический КПД гидромашины.
Произведение механического и гидравлического КПД гидромашины называется гидромеханическим КПД:
(13)
гм.гм  г.гм   м ех.гм .
Крутящий момент на валу насоса зависит от его рабочего объема, давления и технического совершенства:
10 6  V0 н  p
,
(14)
Μ
2   гм.н
Частоту вращения вала нерегулируемого гидромотора можно определить по следующей формуле:
Q
,
(15)
n м  об. м 6 м
10  V0 м
где nм – частота вращения вала гидромотора, с-1;  об. м – объемный КПД гидромотора; Qм – расход рабочей жидкости гидромотором, м3/с; V0 м – рабочий
объем гидромотора, см3.
Эффективная номинальная мощность гидромотора является произведением крутящего момента и угловой скорости вала, развиваемых гидромотором при номинальном расходе и номинальном перепаде давлений на нем:
Pм   м  Qм  p м , или
(16)
Pм  M м   м ,
(17)
где Pм – эффективная номинальная мощность гидромотора, Вт;  м – КПД
гидромотора; pм – номинальный перепад давлений на входе и выходе гидромотора, Па.
Из формул 16 и 17 получим уравнение для номинального крутящего момента гидромотора:
6
Qном  pном
(18)
м ,
ωном
где Mном – номинальный крутящий момент гидромотора, Hм; Qном – номинальный расход гидромотора, м3/с; pном – номинальный перепад давлений на
входе и выходе гидромотора, Па; ном – номинальная угловая скорость вала
гидромотора, рад/с; м – КПД гидромотора.
Учитывая уравнения 6, 13 и 15 уравнение для номинального момента
гидромотора примет следующий вид:
10 6  V0 м  pном
(19)
Μ ном 
 гм. м .
2
Μ ном 
Лабораторная работа № 1
Изучение принципа действия и конструкции
поршневых гидромашин
Поршневые и плунжерные насосы относятся к возвратнопоступательным насосам (рис. 1). В этих насосах рабочие органы совершают
возвратно-поступательное движение, чем обеспечивают изменение объема
рабочей камеры, попеременно сообщающейся с входом и выходом насоса. В
качестве рабочих органов в данных насосах применяются поршни 1 или
плунжеры 7, которые устанавливаются в цилиндры, выполненные в корпусе
6. Основное отличие плунжера от поршня в том, что длина плунжера много
больше его диаметра. По характеру движения ведущего звена возвратнопоступательные насосы могут быть поступательно-поворотными (рис. 1, в),
прямодействующими (рис. 1, г) или вальными (рис. 1, а, б, д, е, ж). Наиболее
распространены вальные возвратно-поступательные насосы, у которых ведущее звено имеет вращательное движение.
В возвратно-поступательных насосах применяют клапанное (рис. 1, а, в,
г, д, е, ж) или золотниковое (рис. 1, б) распределение рабочей жидкости.
Поршневые гидромашины с гидравлическим открытием клапанов являются необратимыми, то есть могут использоваться только в качестве насосов.
Поршневые гидромашины с механическим открытием клапанов или с
золотниковым распределением являются обратимыми, то есть могут использоваться как в качестве насосов, так и качестве гидромоторов.
Вальные насосы, в зависимости от вида передачи движения к рабочим
органам, бывают кулачковые (рис. 1, б, д, е, ж) и кривошипные (рис. 1, а).
Кулачок 8 имеет поверхность переменной кривизны относительно оси
вращения. За счет этого при вращении кулачка плунжер 7 периодически толкается им в направлении рабочей камеры, при этом жидкость вытесняется на
выход через напорный клапан 4. Обратное движение рабочего органа
7
а)
б)
6
1
7
2
3
4
5
в)
г)
8
9
6
е) 6
8
7
ж)
9 5
4
6
1
5
4
д)
11
8
10
Рис. 1. Поршневые машины
8
обеспечивается пружиной 9 (рис. 1, б, е) или механической связью с кулачком (рис. 1, ж), например, посредством кольцевой обоймы 11, одетой на
фланцы подпятников 10. При этом объем рабочей камеры увеличивается и
происходит ее заполнение рабочей средой через впускной клапан 5. В свою
очередь, кулачковые насосы подразделяются по взаиморасположению ведущего звена и рабочих органов. В аксиально-кулачковом насосе (рис. 1, е) ось
вращения ведущего звена параллельна оси рабочих органов или составляет с
ними угол менее или равный 450. В радиально-кулачковом насосе (рис. 1, б,
д, ж) ось вращения ведущего звена перпендикулярна оси рабочих органов
или составляет с ними угол более 450. Кулачковая гидромашина может быть
с внешним или внутренним кулачком. В гидромашине с внешним кулачком
кулачок расположен вокруг поршней. В гидромашине с внутренним кулачком поршни расположены вокруг кулачка (рис. 1, б, д, ж).
В кривошипной гидромашине вращательное движение ведущего звена
преобразуется в возвратно-поступательное движение рабочего органа 1 при
помощи кривошипа 2 и шатуна 3.
По числу поршней (плунжеров) гидромашины могут быть одно-, двух-,
трех- и многопоршневыми (плунжерными).
Поршневые машины по действию подразделяются на гидромашины одно-, двухстороннего действия и дифференциальные. В гидромашинах одностороннего действия (рис. 1, а, б, е, ж) жидкость вытесняется из замкнутой
камеры при движении рабочего органа в одну сторону. В гидромашинах
двухстороннего действия (рис. 1, в, д) жидкость вытесняется из замкнутых
камер при движении рабочего органа в обе стороны. У дифференциальной
машины (рис. 1, г) при движении рабочего органа в обе стороны жидкость
заполняет одну камеру, а из другой вытесняется, при этом жидкость вытесняется на выход при движении рабочего органа только в одну сторону.
По расположению рабочих органов поршневые гидромашины подразделяются на односторонние, оппозитные, v-образные, звездообразные, однорядные, двухрядные, многорядные, горизонтальные и вертикальные.
У односторонней гидромашины (рис. 1, д) оси рабочих органов параллельны, а сами рабочие органы расположены по одну сторону от её привода.
В оппозитной гидромашине (рис. 1, а) рабочие органы расположены на одной оси по обе стороны её привода. У v-образной гидромашины (рис. 1, б)
рабочие органы расположены на двух пересекающихся осях по одну сторону
от её привода. К звездообразным гидромашинам (рис. 1, ж) относятся гидромашины у которых рабочие органы расположены на нескольких пересекающихся осях. У однорядной гидромашины оси рабочих органов расположены в одной плоскости, у двухрядной – в двух параллельных плоскостях, у
многорядной – в нескольких параллельных плоскостях. Детали поршневой
гидромашины установлены в корпусе 6, который может быть составным либо моноблочным, так же в корпусе выполнены каналы для прохода жидкости
9
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
Вопросы к лабораторной работе:
В чем заключается принцип действия поршневой гидромашины?
Какой вид распределения рабочей жидкости используется в исследуемой гидромашине?
К каким поршневым гидромашинам относится исследуемая машина?
Какие рабочие органы используются в данной гидромашине?
Какие виды передачи движения к рабочим органам используются в
поршневых гидромашинах?
Как поршневые гидромашины подразделяются по расположению рабочих органов?
Назовите и покажите на исследуемой гидромашине основные детали.
Лабораторная работа № 2
Определение основных и вспомогательных параметров
поршневой гидромашины
Порядок выполнения:
1. Получите у преподавателя исследуемый образец поршневой гидромашины, величины: давления, частоты вращения, КПД, коэффициента подачи,
высоты всасывания и плотности жидкости.
2. Измерьте массу (без жидкости) исследуемой гидромашины.
3. Разберите исследуемый образец для доступа к рабочим органам.
4. Определите к каким поршневым гидромашинам относится исследуемая: по виду рабочих органов, распределению жидкости, виду передачи движения к рабочим органам и т.д.
5. Определите рабочий объем гидромашины.
Для машин одностороннего действия рабочий объем определяется по
следующей формуле
  D2
V0 
h z mk ,
(20)
4
где V0 – рабочий объем, см3; D – диаметр поршней, см; h – ход поршней, см;
z – количество поршней в одном ряду; m – количество рядов; k – кратность
насоса.
Рабочий объем машин двухстороннего действия
V0  S1  S2 h  z  m  k ,
(21)
3
где V0 – рабочий объем, см ; S1 – площадь поршня в поршневой камере, см2;
S2 – площадь поршня в штоковой камере, см2; h – ход поршней, см; z – количество поршней в одном ряду; m – количество рядов; k – кратность насоса.
Рабочий объем дифференциальной поршневой машины
V0  S1  S 2 h  z  m  k .
(22)
10
6. Определите по представленным выше формулам идеальную подачу
насоса, подачу насоса, давление, полезную мощность и мощность насоса,
крутящий момент на валу и удельную металлоемкость.
Лабораторная работа № 3
Изучение принципа действия и конструкции
радиально-поршневых гидромашин
Радиально-поршневые гидромашины относятся к роторно-поршневым
гидромашинам. Роторно-поршневая машина - это машина, в которой рабочими органами являются поршни или плунжеры, совершающие вращательное и возвратно-поступательное движение. Если ось вращения ротора перпендикулярна осям рабочих органов или составляет с ними угол более 45 0, то
такую машину называют радиально-поршневой (рис. 2).
Рассмотрим принцип действия радиально-поршневого насоса (рис. 2).
Поршни 1, установленные в цилиндрах ротора 2, взаимодействуют со статором 3 либо сферическими поверхностями своих торцов либо через ролики.
При этом ротор 2 жестко связан с валом 4, который приводится во вращение.
За счет того, что статор смещен относительно оси вращения ротора (рис. 2, а)
или имеет радиус переменной кривизны (рис. 2, б, в), поршни совершают в
роторе возвратно-поступательные движения. Вследствие чего рабочие камеры периодически изменяют свой объем. А за счет распределения рабочей
жидкости камеры сообщаются в соответствующие моменты с входом или
выходом гидромашины. Для распределения жидкости в радиальнопоршневых гидромашинах чаще применяют цапфенные 5 или реже торцовые
распределители 6.
Радиально-поршневые гидромашины по сравнению с другими роторными машинами отличаются громоздкостью, высокими моментами инерции и
худшей герметичностью.
В современных гидравлических приводах наибольшее распространение,
среди радиально-поршневых гидромашин, получили гидромашины с цилиндрами, расположенными перпендикулярно к оси вращения ротора.
Радиально-поршневые роторные гидромашины бывают однократного
(рис 2, а), двухкратного (рис 2, б), трехкратного и многократного (рис 2, в)
действия.
Цилиндры, оси которых расположены в одной плоскости, образуют ряд.
Радиально-поршневые гидромашины могут быть одно-, двух-, трех- и многорядными.
В радиально-поршневых машинах применяются различные схемы контакта поршня с поверхностью статора (рис. 3). При выполнении контактирующих торцов поршней в виде сферических (рис. 3, а) или грибообразных
11
б)
а)
3
15
2
е
900
4
h=2e
3
5
е
в)
3 5
T
1
2
3 5
N
3
1
2 P
4
N
6
2
4
3
1
h=2e 2 P
1
T
R2
4
R1
R2
6
R1
Рис. 2. Радиально-поршневые машины
(рис. 3, б) головок, чтобы уменьшить трение между поршнем и статором, поверхность последнего выполняют наклонной, в поперечном сечении, относительно оси поршня. Угол между поверхностью статора и осью поршня обычно составляет от 70 до 75 градусов. В таком случае, за счет смещения точки
контакта относительно оси поршня, поршень при вращении ротора совершает поворотное движение относительно собственной оси. Таким образом, когда поверхность статора наклонная, торцовая поверхность поршня не скользит по поверхности статора, а катится по ней, естественно, что при качении
12
потери на трение значительно меньше чем при скольжении. Возникающие,
вследствие наклона опорной поверхности статора, осевые составляющие силы давления уравновешивают в гидромашинах с рядностью больше двух путем установки статорных колец наклоном в противоположные стороны.
Так же для контакта поршней со статором могут применяться башмаки
(рис. 3, в) и башмаки с гидростатической разгрузкой (рис. 3, г), имеющие в
зоне контакта со статором камеру, в которую подается жидкость под давлением, за счет чего башмак контактирует со статором через слой жидкости.
Кроме того применяются различные схемы с применением роликов (рис. 3, д,
е), позволяющие уменьшить трение, но значительно усложняющие конструкцию, увеличивающие массу и стоимость гидромашины.
В гидромашинах однократного действия стопорение статора не обязательно, так как возвратно-поступательное движение поршней обеспечивается
смещением осей ротора и статора – эксцентриситетом. Это позволяет устанавливать статор на опорах качения, при этом статор называют барабаном.
Вследствие взаимодействия с поршнями барабан совершает вращательное
движение. При этом поршень совершает возвратно-поворотное движение,
компенсирующее изменение расстояния между пятнами контакта поршней
со статором, которое возникает при повороте ротора вследствие эксцентриситета ротора относительно статора.
Для обеспечения непрерывного контакта поршней со статором в радиально-поршневых гидромашинах используются центробежные силы или
принудительное ведение поршней.
Центробежных сил достаточно для выдвижения поршня, когда величина
этих сил больше сил сопротивления его выдвижению. Такой способ ведения
поршней называют свободным. К силам сопротивления выдвижению поршня
можно отнести силы трения поршня в роторе, силы инерции поршня и иногда силы от разности давлений на торцах поршня. Одним из условий работоспособности радиально-поршневой гидромашины со свободным ведением
поршней является минимально-допустимая частота вращения, получаемая из
уравнения равновесия сил, действующих на поршень. Радиально-поршневые
а)
б)
в)
г)
д)
Рис. 3. Схемы контакта поршня с поверхностью статора
е)
13
гидромашины со свободным ведением поршней наиболее просты конструктивно и соответственно обладают меньшей стоимостью среди машин данного типа. К главным недостаткам таких гидромашин можно отнести ограничение по минимальной частоте вращения насосов.
В том случае, когда рабочая частота вращения вала гидромашины меньше, чем требуется для свободного ведения поршней, применяют принудительное ведение поршней. Принудительное ведение поршней может осуществляться при помощи ползунов или пружин.
В качестве направляющих, при ведении ползунами, как правило, используются пазы, выполненные на внутренних боковых поверхностях корпуса. А в качестве ползунов обычно применяют ролики, оси которых жестко
связаны со свободными концами поршней. Поверхности роликов взаимодействуют с поверхностью пазов, таким образом, обеспечивается жесткая кинематическая связь поршней и статора, а также заданный закон движения
поршней. К достоинствам гидромашин, данного типа, можно отнести следующие: возможность работы на малых частотах вращения и небольшие механические потери. Недостатками данных гидромашин являются: сложность
конструкции, увеличенные габариты и большая стоимость.
Наиболее простым в конструктивном плане является принудительное
ведение поршней пружинами. Пружины при данном методе ведения устанавливают обычно непосредственно в рабочей камере. Упираясь одним концом
в ротор, а другим в поршень, пружины прижимают последний к статору,
обеспечивая тем самым постоянный контакт между ними. Достоинством
данного метода является его простота и малая стоимость. К недостаткам
можно отнести увеличение механических потерь, увеличение мертвого объема и ограничение частоты вращения инерционностью пружин.
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
Вопросы к лабораторной работе:
В чем заключается принцип действия радиально-поршневой гидромашины?
Какие виды распределения рабочей жидкости используются в радиально-поршневых гидромашинах?
К каким радиально-поршневым гидромашинам относится исследуемая машина?
Какие рабочие органы используются в данной гидромашине?
Какие схемы контакта поршня с поверхностью статора применяются
в радиально-поршневых машинах?
Какие способы ведения поршней используются в радиальнопоршневых гидромашинах?
Назовите и покажите на исследуемой гидромашине основные детали.
14
Лабораторная работа № 4
Определение основных и вспомогательных параметров
радиально-поршневой гидромашины
Порядок выполнения:
1. Получите у преподавателя исследуемый образец поршневой гидромашины, величины: давления, частоты вращения, КПД, коэффициента подачи, высоты всасывания и плотности жидкости.
2. Измерьте массу (без жидкости) исследуемой гидромашины.
3. Разберите исследуемый образец для доступа к рабочим органам.
4. Определите к каким радиально-поршневым гидромашинам относится
исследуемая: по виду рабочих органов, распределению жидкости, кратности,
рядности и т.д.
5. Определите рабочий объем гидромашины.
Рабочий объем радиально-поршневой гидромашины определяется по следующей зависимости:
(23)
V0  S п  h  z  m  k ,
3
2
где V0 – рабочий объем, см ; Sп – площадь поршня (плунжера), см ; h – ход
поршня, см; z – количество поршней; m – рядность гидромашины; k – кратность гидромашины.
У гидромашин однократного действия ход поршня зависит от величины
смещения осей ротора и статора (рис 2, а):
(24)
h  2e ,
где e – эксцентриситет, см. В гидромашинах многократного действия ход зависит от геометрии статора (рис 2, в):
h  R2  R1 ,
(25)
где R2 – радиус впадин статора, см; R1 – радиус выступов статора, см.
6. Определите по представленным выше формулам идеальную подачу
насоса, подачу насоса, давление, полезную мощность и мощность насоса,
крутящий момент на валу и удельную металлоемкость.
Лабораторная работа № 5
Изучение принципа действия и конструкции
аксиально-поршневых гидромашин
Аксиально-поршневые гидромашины относятся к роторно-поршневым
гидромашинам. У аксиально-поршневой гидромашины ось вращения ротора
параллельна осям рабочих органов или составляет с ними угол менее или
равный 450 (рис. 4).
Аксиально-поршневые гидромашины в зависимости от взаиморасположения ротора и ведущего звена подразделяются на гидромашины с наклон-
15
а)
2
9
γ
D
7
дугообразные окна
5
d
4
6 8 3
1
γ
2
б)
в)
4 5
2
1
11
9
5
d
D
1
7
9
4 10
Рис. 4. Аксиально-поршневые гидромашины
ным блоком, с наклонным диском и с профильным диском. У аксиальнопоршневой гидромашины с наклонным блоком (рис. 4, а) оси ведущего звена
и ротора пересекаются. У аксиально-поршневой гидромашины с наклонным
диском (рис. 4, б) ведущее звено и ротор расположены на одной оси.
В аксиально-поршневых гидромашинах с профильным диском (рис. 4, в)
ведущий вал 4 и блок цилиндров 2 находятся на одной оси, а плунжеры 1
взаимодействуют с диском 11, имеющим поверхность переменной кривизны.
Гидромашины с наклонным диском и с наклонным блоком могут быть
только однократного действия. Гидромашины с профильным диском могут
быть одно-, двух- и многократного действия.
Для распределения жидкости в аксиально-поршневых гидромашинах
чаще применяют торцовые или очень редко цапфенные распределители.
Рассмотрим принцип действия аксиально-поршневой гидромашины на
примере аксиально-поршневого насоса с наклонным блоком (рис. 4, а).
Поршни 1 расположены в блоке цилиндров 2 и шарнирно соединены
шатунами 3 с фланцем вала 4. Вал 4 установлен на подшипниках 6 в корпусе
16
9. Для распределения рабочей жидкости в неподвижном торцовом распределительном диске 5 выполнены два дугообразных окна. Окна сообщаются с
рабочими камерами посредством отверстий выполненных в блоке цилиндров
и идущих от его торцовой поверхности, обращенной к распределительному
диску, к рабочим камерам. Вал приводится во вращение, при этом блок цилиндров синхронно поворачивается вместе с валом за счет карданного вала 8.
Поршень 1 совершает вращательное движение относительно оси блока 2 и
возвратно-поступательное движение в цилиндре вследствие наклона блока
цилиндров относительно вала. При этом объем рабочей камеры периодически изменяется. Распределительный диск 5 установлен в крышке 7 таким образом, что в период увеличения объема рабочей камеры отверстие, идущее из
нее к торцовой поверхности блока, сообщается с дугообразным окном, соединенным с входом насоса, а в период уменьшения объема рабочей камеры
сообщается с другим дугообразным окном, соединенным с выходом насоса.
Так осуществляется всасывание на входе и вытеснение рабочей жидкости на
выход насоса. Осевую нагрузку, возникающую от давления жидкости в рабочих камерах, действующую на блок цилиндров воспринимает распределительный диск 5. Осевую нагрузку от действия давления на поршни штоки передают на приводной вал, подшипниками 6 которого она воспринимается.
Так как наклон блока, как правило, не превышает 300, осевые нагрузки, испытываемые подшипниками, весьма значительны.
В гидромашинах с наклонным блоком для синхронизации вращения ведущего вала и блока цилиндров, а также для преодоления сил трения и инерции блока цилиндров, могут применяться карданные валы (рис. 5, а, б), шатунное ведение (рис. 5, в) или зубчатая передача (рис. 5, г). Карданные валы
могут быть с одним шарниром – одинарный кардан (рис. 5, а), либо с двумя –
сдвоенный кардан (рис. 5, б). Применение одинарного кардана приводит к
значительной неравномерности вращения блока, и как следствие этого возникают дополнительные инерционные нагрузки на шарнир и нагрузки на
поршни – из-за опережения-отставания блока цилиндров. Поэтому частота
вращения гидромашин с одинарным карданом должна быть не более 8,33 с-1.
Применение сдвоенного кардана позволяет значительно снизить неравномерность вращения блока и поднять частоту вращения гидромашины до 83.3
с-1. При шатунном ведении (рис. 5, в) юбки поршней выполняются удлиненными, с внутренней конической поверхностью. Вращение приводного вала
при неподвижном блоке вызывает поворот шатунов в шаровых шарнирах,
который продолжается до упора боковой поверхности шатуна во внутреннюю поверхность юбки поршня. После чего дальнейший поворот шатуна в
шарнире поршня невозможен, и шатун, действуя на юбку поршня, поворачивает блок синхронно с приводным валом. Синхронизация вращения блока
шатунным ведением упрощает конструкцию, уменьшает размеры ротора и,
следовательно, его момент инерции, что улучшает динамику разгона и тор-
17
можения гидромашины. Синхронизация вращения блока коническими зубчатыми передачами (рис. 5, г) не получила широкого распространения, так как,
при ней увеличиваются размеры и усложняется конструкция гидромашины,
кроме того в таких машинах угол наклона блока должен быть постоянным, то
есть они могут быть только нерегулируемыми.
В гидромашинах с наклонным диском (рис. 4, б),
возвратнопоступательное движение поршней 1 в цилиндрах блока 2 обеспечивается
наклоном диска 10. Взаимодействие поршней и наклонного диска может
осуществляться при помощи гидростатических опор (рис. 6, а), сферических
и грибообразных головок (рис. 6, б, г), и шаровых шарниров (рис. 6, в, д).
В насосах, для того чтобы поршни не отставали от наклонного диска во
время всасывания, применяется принудительное ведение поршней шатунами,
прижимными дисками, пружинами или давлением подпитки.
а)
в)
б)
а)
б)
в)
г)
д)
е)
г)
Рис. 5. Схемы качающих узлов
аксиально-поршневых машин
с наклонным блоком
Рис. 6. Схемы качающих
узлов аксиально-поршневых
машин с наклонным диском
Привод блока цилиндров в насосах и снятие крутящего момента в моторах с наклонным диском может осуществляться через приводной вал (рис. 6,
а, б, д, е), либо посредством зубчатой передачи (рис. 6, в, г), с установкой
зубчатого венца на блок цилиндров.
Величина хода поршня в аксиально-поршневых гидромашинах зависит
от угла наклона диска (блока). Чем больше угол наклона, тем больше ход
поршня. Ход поршня напрямую влияет на величину рабочего объема гидромашины. Таким образом, регулирование аксиально-поршневых гидромашин
18
осуществляется изменением угла наклона диска (блока) непосредственно в
процессе работы. Изменение угла наклона диска (блока) может осуществляться с помощью механического или гидравлического привода.
1.
2.
3.
4.
5.
6.
Вопросы к лабораторной работе:
В чем заключается принцип действия аксиально-поршневой гидромашины?
Какие виды распределения рабочей жидкости используются в аксиально-поршневых гидромашинах?
К каким аксиально-поршневым гидромашинам относится исследуемая машина?
Какие способы синхронизации вращения ведущего вала и блока цилиндров используются в аксиально-поршневых гидромашинах, их
достоинства и недостатки?
Какие способы ведения поршней используются в аксиальнопоршневых гидромашинах?
Назовите и покажите на исследуемой гидромашине основные детали.
Лабораторная работа № 6
Определение основных и вспомогательных параметров
аксиально-поршневой гидромашины
Порядок выполнения:
1. Получите у преподавателя исследуемый образец поршневой гидромашины, величины: давления, частоты вращения, КПД, коэффициента подачи, высоты всасывания и плотности жидкости.
2. Измерьте массу (без жидкости) исследуемой гидромашины.
3. Разберите исследуемый образец для доступа к рабочим органам.
4. Определите к каким аксиально-поршневым гидромашинам относится
исследуемая: по виду рабочих органов, распределению жидкости, кратности,
рядности и т.д.
5. Определите рабочий объем гидромашины.
Рабочий объем аксиально-поршневой гидромашины определяется по
следующей зависимости:
V0  S п  z  D  tg ( ) ,
(26)
3
2
где V0 – рабочий объем, см ; Sп – площадь поршня (плунжера), см ; z – количество поршней; D – диаметр окружности блока, на котором расположены
оси цилиндров, см; γ – угол наклона блока (диска).
6. Определите, по представленным выше формулам, идеальную подачу
насоса, подачу насоса, давление, полезную мощность и мощность насоса,
крутящий момент на валу и удельную металлоемкость.
19
Библиографический список
1. Аксиально-поршневой регулируемый гидропривод / под ред. В.Н.
Прокофьева. – М.: Машиностроение, 1969. – 496 с.
2. Андреев А. Ф. Гидропневмоавтоматика и гидропривод мобильных
машин. Объемные гидро- и пневмомашины и передачи / А. Ф. Андреев, Л. Б.
Барташевич, Н. В. Богдан и др., Под ред. В. В. Гуськова. Минск: Высш. шк.,
1987. 310 с.
3. Башта Т. М. Гидравлика, гидромашины и гидроприводы / Т. М. Башта,
С. С. Руднев, Б. Б. Некрасов и др. М.: Машиностроение, 1982. 423 с.
4. Башта Т. М. Объемные гидравлические приводы / Т. М. Башта, И. З.
Зайченко, В. В. Ермаков и Е. М. Хаймович. М.: Машиностроение, 1969.
628 с.
5. Башта Т.М. Объемные насосы и гидравлические двигатели гидросистем. – М.: Машиностроение, 1974. – 606 с.
6. Свешников В. К., Усов А. А. Станочные гидроприводы / Свешников
В. К., Усов А. А. – М.: Машиностроение, 1982. – 423 с.
20
Содержание
Общие сведения………………………………………...………………… 2
Лабораторная работа № 1. Изучение принципа действия и конструкции поршневых гидромашин………………….…………………… 6
Лабораторная работа № 2. Определение основных и вспомогательных параметров поршневой гидромашины…………………….. 9
Лабораторная работа № 3. Изучение принципа действия и конструкции радиально-поршневых гидромашин…………………..……... 10
Лабораторная работа № 4. Определение основных и вспомогательных параметров радиально-поршневой гидромашины……….. 14
Лабораторная работа № 5. Изучение принципа действия и конструкции аксиально-поршневых гидромашин…….…………………… 14
Лабораторная работа № 6. Определение основных и вспомогательных параметров аксиально-поршневой гидромашины……….. 18
Библиографический список…….………………………………………. 19