Чебан В.Г. Гидравлические машины и гидроприводы
Подождите немного. Документ загружается.
2
2431 d,SSq
вo
, (3.5)
где d – внутренний диаметр ведущего винта или наружный диаметр ведомого
винта. Шаг винта, как правило, находится из соотношения:
d
3
10
. (3.6)
Подача насоса определяется по формуле (3.2), где объемный КПД насоса
η
о
= 0,75...0,90.
3.2.3. 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. 8. В цилиндрической расточке корпуса насоса –
статоре эксцентрично вращается цилиндрический ротор, имеющий радиальные
пазы, в которых установлены пластины-вытеснители. 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 можно определить по следующему выражению:
bzReq
o
22
, (3.7)
где b – ширина пластины; е – ексцентриситет; R – радиус статора; z – число
пластин; δ – толщина пластины.
В пластинчатом насосе двукратного действия (рис. 9) подача жидкости из
каждой рабочей камеры за один оборот ротора производится дважды. Ротор в
таком насосе установлен концентрично статору (е = 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^
zRRRRbq
o 21
2
2
2
1
2
, (3.8)
где R
1
и R
2
– соответственно большая и малая полуоси профиля поверхности
статора.
Рис. 8 Рис. 9
Подача пластинчатого насоса может быть вычислена по формуле (3.2) с
учетом объемного КПД η
о
= 0,75...0,98.
Рабочий объем и подачу пластинчатого насоса однократного действия
можно регулировать путем изменения эксцентриситета е.
Показатели пластинчатых гидромоторов – частота вращения вала и
крутящий момент – вычисляются по общим формулам (1.14) и (1.16).
3.2.4. 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. 10. В теле ротора 1
предусмотрено несколько радиальных
цилиндров, в которых установлены
поршни 2. Ось вращения ротора смещена
на величину е относительно оси обоймы 3
статора. Поршни всегда прижимаются к
обойме центробежными силами, а также
пружинами, находящимися в цилиндрах
ротора.
Рис. 10
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:
ze
d
q
o
2
4
2
, (3.9)
где d – диаметр цилиндра; е – ексцентриситет; z — количество цилиндров.
Подача насоса с учетом объемного КПД (η
о
= 0,7...0,9) определяется по формуле
(3.2).
Радиально-поршневые гидромашины многократного действия часто
применяются в качестве высокомоментных гидромоторов. Частота вращения вала
и крутящий момент в этом случае также определяются по формулам (1.14) и
(1.16).
3.2.5. Аксиально-поршневые гидромашины. Аксиально-поршневым
называют роторно-поршневой насос, у которого ось вращения ротора
параллельна осям рабочих органов или составляет с ними угол менее или равный
45°.
Устройство аксиально-поршневого насоса показано на рис. 11. В роторе 1
параллельно оси его вращения равномерно по
окружности диаметра D 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 γ к оси
ротора, который приводится во вращение валом 6. При вращении вала 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 серпообразных окна соединены: одно со всасывающим,
другое с нагнетательным каналами насоса.
Рис. 11
Рабочий объем насос:
tgzD
d
q
o
4
2
, (3.10)
где d – диаметр поршня; z – количество поршней.
Подача аксиально-поршневого насоса рассчитывается по выражению (3.2),
где для рассматриваемых насосов η
о
= 0,95...0,98.
В технике широко применяют аксиально-
поршневые насосы с наклонным блоком (рис. 12).
Некоторые типы аксиально-поршневых насосов
допускают регулирование рабочего объема и подачи
насоса изменением угла γ.
Рис. 12
Аксиально-поршневые гидромашины получили значительное
распространение в качестве регулируемых и нерегулируемых гидромоторов,
частота вращения и крутящий момент которых определяются по формулам (1.14)
и (1.16).
ПРИМЕРЫ
1. Шестеренный насос развивает давление p
н
= 6,5 МПа при частоте
вращения n = 1200 об/мин. Определить потребляемую им мощность, если ширина
шестерни b = 30 мм, диаметр начальной окружности D
н
= 60 мм, число зубьев z =
8, объемный КПД η
o
= 0,85, КПД насоса η = 0,72.
Решение. Находим модуль зацепления:
57
8
60
,
z
D
m
н
мм,
рабочий объем:
88437500614322 ,,,,bmDq
нo
см
3
,
подачу насоса:
3
6
10441
60
850120010884
60
,
,,
nq
Q
oo
м
3
/с.
Полезная мощность насоса:
363
10369105610441
,,,QрN
нп
Вт = 9,36 кВт.
Мощность насоса:
013
720
369
,
,
,
N
N
п
кВт.
Глава 4. ОБЪЕМНЫЙ ГИДРОПРИВОД
4.1. Принципиальные схемы.
Регулирование скорости выходного звена
Объемным гидроприводом называется привод, в состав которого входит
гидравлический механизм, в котором рабочая среда (жидкость) находится под
давлением, с одним или более объемными гидродвигателями. Простейший
объемный гидропривод, как правило, включает в себя насос, гидродвигатель
(гидроцилиндр или гидромотор), гидроаппаратуру (гидроклапаны, гидродроссели,
гидрораспределители), соединенные гидролиниями, и вспомогательные
устройства – фильтры, гидробаки, теплообменники и др. По характеру движения
выходного звена различают объемные гидроприводы поступательного,
вращательного и поворотного движения (рис. 13).
При работе различных машин возникает необходимость изменять скорость
движения их рабочих органов, что делает целесообразным применение
регулируемого гидропривода. Различают дроссельный, объемный, а также
комбинированный способ регулирования. При дроссельном регулировании часть
жидкости, подаваемой насосом, отводится в сливную линию и не совершает
полезной работы. В гидроприводе с объемным регулированием изменение
скорости выходного звена осуществляется изменением рабочего объема насоса
или гидромотора.
При последовательном включении дросселя (рис. 14, а) предусматривается
переливной клапан, который поддерживает в нагнетательном трубопроводе
постоянное давление путем непрерывного слива рабочей жидкости. В этом случае
расход жидкости, поступающей в гидроцилиндр, равен расходу жидкости через
дроссель:
21
2
ррSQQ
дрдр
, 4.1
где μ – коэффициент расхода; S
др
– площадь проходного сечения дросселя; р
1
и р
2
– давление соответственно перед дросселем и за ним.
Рис. 13
Если пренебречь потерями давления в гидролинии и в гидрораспределителе,
то давление р
2
можно определить по формуле:
п
S
R
р
2
, 4.2
где R – усилие на штоке гидроцилиндра; S
п
– площадь поршня со стороны
нагнетания.
Рис. 14
Следовательно, средняя скорость перемещения поршня гидроцилиндра:
пп
др
п
п
S
R
р
S
S
S
Q
1
2
. 4.3
Отсюда видно, что скорость поршня зависит от площади проходного
сечения дросселя и усилия на штоке.
Возможна также последовательная установка дросселя на выходе после
гидродвигателя (рис. 14, б). Как и в предыдущей схеме, давление р
1
в
нагнетательной гидролинии поддерживается постоянным с помощью переливного
клапана. Скорость поршня в этом случае
пп
др
п
S
R
р
S
S
1
2
. 4.4
Комбинацией двух рассмотренных выше схем является
гидропривод с дросселями на входе и выходе (рис. 14, в),
причем функции обоих дросселей выполняет в большинстве
случаев дросселирующий золотник.
На рис. 15 показано параллельное включение дросселя.
Он устанавливается в гидролинии, соединяющей
нагнетательный трубопровод со сливным. Поскольку в этом
случае давление р
1
на входе в дроссель зависит от нагрузки R
гидроцилиндра, то необходимость в переливном клапане
отпадает. Вместо него устанавливается предохранительный
клапан. Если пренебречь трением, то давление
Рис. 15
п
S
R
р
1
. 4.5
В этом случае подача насоса Q
н
разветвляется на два потока: Q
ц
– поступает
в гидродвигатель, Q
др
– через дроссель по сливной гидролинии в бак. Поэтому
дрнц
QQQ
, 4.6
а скорость перемещения поршня
пп
др
п
н
п
ц
п
S
R
S
S
S
Q
S
Q
2
. 4.7
Из этой формулы видно, что скорость поршня зависит от степени открытия
дросселя и усилия на штоке R.
Объемное регулирование гидроприводом характерно тем, что изменение
скорости выходного звена достигается изменением рабочего объема насоса, либо
гидродвигателя, либо одновременно изменением рабочего объема того и другого.
Для всех случаев при отсутствии утечек справедливы соотношения:
мн
QQ
,
ммнн
nqnq
, 4.8
где Q
н
– подача насоса; Q
м
– расход через гидромотор; q
н
и q
м
– рабочие объемы
насоса и гидромотора; n
н
и n
м
– частоты вращения насоса и гидромотора. Из
формулы (4.8) следует
м
н
нм
q
q
nn
. 4.9
Давление в такой системе изменяется в зависимости от нагрузки
гидромотора:
тр
м
м
трмн
р
q
М
ppp
2
, 4.10
где Δр
м
и М
м
– перепад давления и крутящий момент на валу гидромотора; Δр
тр
–
потери давления на трение в трубопроводах.
Таким образом, для системы гидропривода с регулируемым насосом, когда
n
н
= const, q
м
= const, Δр
м
= const, можно записать:
constpqМ
ммм
2
1
, 4.11
constpQNN
мммн
, 4.12
т.е. идеальный момент на валу гидромотора постоянен, а мощность прямо
пропорциональна расходу и перепаду давления на гидромоторе.
Для схемы гидропривода с регулируемым гидромотором, когда n
н
= const, q
н
= const, Δр
м
= const, справедливы зависимости:
const
n
n
qpqМ
м
н
нммм
2
1
2
1
, 4.13
constpQN
ммм
. 4.14
Идеальный момент на валу гидромотора изменяется в этом случав обратно
пропорционально частоте вращения вала, мощность гидромотора при этом
постоянна.
Объемный гидропривод, включающий насос и гидромотор переменного
рабочего объема, представляет собой сочетание двух предыдущих случаев. Он
является наиболее сложным и позволяет реализовать наибольший диапазон
регулирования частоты вращения гидромотора.
Регулирование такой системы осуществляется последовательно. Когда
необходимо увеличить частоту вращения вала гидромотора от 0 до n
max
,
поступают следующим образом:
– в насосе устанавливают нулевой рабочий объем, а в гидромоторе –
наибольший;
– запускают приводной двигатель насоса и выводят на заданный скоростной
режим;
– рабочий объем насоса постепенно доводят до максимальной величины, в
результате чего частота вращения вала гидромотора достигает значения,
соответствующего номинальной мощности;
– для дальнейшего увеличения скорости вала гидромотора его рабочий
объем постепенно доводят до минимально возможного значения, останавливая
этот процесс при появлении первых признаков неустойчивой работы.
4.2. Расчет простых объемных гидроприводов
Исходными данными для расчета простого объемного гидропривода
являются: принципиальная расчетная схема, усилия на штоках гидроцилиндров
или крутящие моменты на валах гидромоторов, скорости перемещения штоков
гидроцилиндров или частоты вращения валов гидромоторов, длины участков
гидролиний, соединяющих гидроагрегаты, граничные эксплуатационные
температуры. Некоторые исходные данные, например номинальное давление в
гидросистеме, марка рабочей жидкости, подлежат выбору. Можно рекомендовать
следующий общий порядок расчета.
1. Выбор номинального давления, МПа, из ряда нормативных,
установленных ГОСТ 12445–80: 0,63; 1,0; 1,6; 2,5; 6,3; 10; 16; 20; 25; 32.
2. Выбор рабочей жидкости производится в соответствии от режима работы
гидропривода, в зависимости от температурных условий и номинального
давления, а также из рекомендаций заводов-изготовителей и практического опыта
применения соответствующего гидрооборудования.
Нормальная температура рабочей жидкости составляет 50–60 °С. При такой
температуре рекомендуется применять рабочие жидкости с кинематической
вязкостью ν = 20...36 мм
2
/с при давлениях до 7 МПа и ν = 60...110 мм
2
/с при
давлениях 7...20 МПа.
3. Выбор гидроцилиндра. Диаметр гидроцилиндра определяется из
соотношения
мц
p
R
D
4
, 4.15
где R – усилие на штоке; р – номинальное давление; η
мц
– механический КПД
гидроцилиндра, равный 0,93...0,97.
4. Выбор насоса производится по общему расходу жидкости в гидросистеме
и номинальному давлению. Для дроссельного регулирования выбирают
нерегулируемый насос, а для объемного регулирования – регулируемый насос.
Для определения подачи насоса находят сначала его мощность как сумму
мощностей N
д
всех одновременно работающих гидродвигателей. При этом
мощность, потребляемая гидроцилиндром,
ц
п
ц
R
N
, 4.16
где R – усилие на штоке гидроцилиндра; υ
п
– скорость перемещения поршня; η
ц
–
КПД гидроцилиндра, который можно принять равным 0,90.
Мощность гидромотора
гм
м
М
N
, 4.17
где М – крутящий момент на валу гидромотора; ω – угловая скорость; η
гм
–
полный КПД гидромотора, который можно предварительно принять равным
0,75...0,85.
Мощность насоса
дycн
NkkN
, 4.18
где k
c
= 1,1...1,3 – коэффициент запаса по скорости; k
y
= 1,1...1,2 – коэффициент
запаса по усилию; N
д
– суммарная мощность всех одновременно работающих
гидродвигателей.
Необходимая подача насоса
р
N
Q
н
н
, 4.19
где р – принятое номинальное давление.
По известным значениям Q
н
и р выбирается насос, вычисляется частота его
вращения
онo
н
qi
Q
n
60
, 4.20
где i – число насосов; q
o
– рабочий объем; η
он
– объемный КПД насоса.
В гидросистемах легкого и среднего режимов работы целесообразно
применять шестеренные или пластинчатые насосы, а для тяжелых и весьма
тяжелых режимов – аксиально- или радиально-поршневые насосы.
5. Выбор гидромотора можно произвести по рабочему объему
мм
o
р
М
q
2
, 4.21
где М – заданный крутящий момент, Н·м; η
мм
– механический КПД гидромотора.
6. Тип и марку гидроаппаратуры выбирают в зависимости от ее назначения,
по номинальному давлению и подаче насоса.
7. Гидравлический расчет трубопроводов состоит в определении их
диаметров и потерь давления в них. Расчет производится по участкам,
выделяемым в гидравлической схеме. Участком считают часть гидролинии,
расположеной между разветвлениями, имеющей постоянный диаметр и по всей
длине которой проходит один и тот же расход. На участке могут быть
расположены как гидроаппараты, так и различные местные сопротивления. По
известному расходу и расчетной средней скорости определяют диаметр
трубопровода
Q
d
4
4.22
и округляют до ближайших стандартных значений. Рекомендуется выбирать
скорости: для всасывающей гидролинии 0,5...1,5 м/с, для сливной 1,4...2,2 м/с,
для напорной – 3...6 м/с.
8. Расчет потерь давления в гидролиниях необходим для определения КПД
гидропривода. В правильно спроектированной гидросистеме потери давления не
должны превышать 6 % номинального давления.
При расчете потерь давления гидравлическую схему разделяют на
замкнутые контуры, состоящие из последовательных участков трубопроводов с
различными гидроагрегатами. В таком контуре потеря давления
гамтр
рррр
, 4.23
где ΣΔр
тр
– потери давления на трение; ΣΔр
м
– потери давления в местных
сопротивлениях; ΣΔр
га
– потери давления в гидроаппаратах.
9. Расчет мощности и КПД гидропривода. Полная мощность гидропривода
равна мощности, потребляемой насосом,
н
нн
Qр
N
. 4.24
Общий КПД гидропривода равен отношению полезной мощности
гидропривода (суммарная мощность всех одновременно работающих
гидроцилиндров и гидромоторов) к полной мощности гидропривода.
N
NN
мц
.
КПД правильно спроектированного гидропривода η = 0,6...0,8. Поскольку
при практических расчетах невозможно подобрать насос, гидроцилиндр и
гидромотор, обеспечивающие точные значения основных заданных параметров
системы, необходимо провести проверочный расчет, в результате которого
находятся действительные значения усилия на штоке R, скорости перемещения
поршня, частоты вращения и крутящего момента гидромотора.
ПРИМЕРЫ
1. В гидроприводе с объемным регулированием (рис. 14, а) применен
регулируемый аксиально-поршневой насос, характеризующийся следующими
параметрами: количество поршней z = 7, диаметры поршней d = 15 мм, диаметр
окружности центров цилиндров D = 40 мм, частота вращения n = 960 об/мин, угол
наклона диска γ может изменяться от 0 до 30°.
Построить график изменения скорости перемещения поршня
гидроцилиндра в зависимости от угла γ, если диаметр цилиндра D
1
= 80 мм,
диаметр штока D
2
= 40 мм. Утечками жидкости пренебречь.
Решение. Рабочий объем насоса:
tg,tg
,,
tgzD
d
q
o
54974
4
51143
4
22
.
Теоретическая подача насоса:
tg
tg,
nq
Q
o
т
792
60
960549
60
.
Скорость перемещения поршня гидроцилиндра:
tg
,
tg
DD
Q
т
п
21
48143
7924
4
222
2
2
1
.
Значения скорости υ
п
при различных значениях угла наклона шайбы γ,
подсчитанные по этой формуле:
γ, ° 0 8 17 24 30
υ
п
, см/с 0 2,95 6,42 9,35 12,12
По этим данным построена зависимость υ
п
= f(γ) (рис. 16).
Рис. 16
9.1. Определить давление объемного насоса, мощность которого N = 3,3
кВт, при частоте вращения n = 1440 мин
-1
, если его рабочий объем q = 12 см
3
,
КПД – η = 0,8, объемный КПД – η
0
= 0,9.
9.3. При испытании насоса на воде измерены: вакуум на входе в насос р
вак
=
20 кПа, избыточное давление на выходе из насоса р
ман
= 600 кПа, момент на валу
М = 500 Н·м, частота вращения п = 1500 об/мин, расстояние по вертикали между
точкой подключения вакуумметра и центром манометра z = 0,7 м (рис. 1), подача
насоса Q = 10 л/с.
Определить КПД насоса, если диаметры всасывающего и напорного
трубопроводов равны d
в
= 100 мм, d
н
= 70 мм.
9.4. Объемный насос, характеризующийся рабочим
объемом q = 22 см
3
, объемным КПД – η
о
= 0,91, полным КПД
– η = 0,7 и потребляемой мощностью N = 5 кВт, подает
рабочую жидкость в гидроцилиндр диаметром D = 0,1 м,
развивающий на штоке усилие R = 50 кН (рис. 17).
С какой частотой вращается вал насоса, если потери
давления в системе составляют 10 % давления в
гидроцилиндре?
Рис. 17
9.5. Центробежный насос подает воду ( = 1000 кг/м
3
) с расходом Q = 50 л/
с на высоту h = 22 м (высота всасывания h
вс
= 5 м). Коэффициенты
гидравлического трения всасывающей и нагнетательной труб
в
=
н
= 0,03,
суммарные коэффициенты местных сопротивлений для всасывающей и
нагнетательной труб
в
= 10,
н
= 16, длины и диаметры обоих трубопроводов l
в
=
30 м, l
н
= 50 м, d
в
= 0,2 м, d
н
= 0,16 м. Рассчитать вакуум и напор, развиваемые
насосом (рис. 1).