Лекции по гидравлике

Подождите немного. Документ загружается.

стороны — механическим, гидравлическим, электрическим или пневматическим.

К общим свойствам объемных насосов, которые обусловлены их принципом

действия и отличают их от насосов лопастных, относятся следующие.

1. Цикличность рабочего процесса и связанная с ней порционность и

неравномерность подачи. Подача объемного насоса осуществляется не

равномерным потоком, а порциями, каждая из которых соответствует подаче

одной рабочей камеры.

2. Герметичность насоса, т. е. постоянное отделение напорного

трубопровода от всасывающего (лопастные насосы герметичностью не обладают,

а являются проточными).

3. Самовсасывание, т. е. способность объемного насоса создавать вакуум во

всасывающем трубопроводе, заполненном воздухом, достаточный для подъема

жидкости во всасывающем трубопроводе до уровня расположения насоса. Высота

всасывания жидкости при этом не может быть больше предельно допустимой.

Лопастные насосы без специальных приспособлений не являются

самовсасывающими.

4. Жесткость характеристики, т.е. крутизна ее в системе координат Н (или р)

по Q, что означает малую зависимость подачи насоса Q от развиваемого им

давления. Идеальная подача совсем не зависит от давления насоса

(характеристики лопастных насосов обычно пологие).

5. Независимость давления, создаваемого объемным насосом, от скорости

движения рабочего органа насоса и скорости жидкости. В принципе при работе на

несжимаемой жидкости объемный насос, обладающий идеальным уплотнением,

способен создавать сколь угодно высокое давление, обусловленное нагрузкой, при

сколь угодно малой скорости движения вытеснителей. Для получения высоких

давлений с помощью лопастного насоса требуются большие частоты вращения

колеса и большие скорости жидкости.

Объемные гидродвигатели в основном имеют те же свойства, что и

объемные насосы, но с некоторыми отличиями, обусловленными иной функцией

двигателей. Объемные гидродвигатели также характеризуются цикличностью

рабочего процесса и герметичностью. Жесткость характеристик объемных

гидродвигателей заключается в малой зависимости скорости выходного звена от

нагрузки на этом звене (усилия на штоке гидроцилиндра и момента на валу

гидромотора).

2.2 Величины характеризующие рабочий процесс ОГМ.

Основной величиной, определяющей размер объемного насоса (объемного

гидродвигателя) является его рабочий объем.

Рабочий объем насоса, и частота его рабочих циклов определяют идеальную

подачу. Идеальной подачей объемного насоса называют подачу в единицу

времени несжимаемой жидкости при отсутствии утечек через зазоры.

Осредненная по времени идеальная подача

zknVnVQ

kи



(2.1)

где

— рабочий объем насоса, т. е. идеальная подача насоса за один цикл (один

оборот вала насоса); n — частота рабочих циклов насоса (для вращательных

насосов частота вращения вала);

— идеальная подача из каждой рабочей

камеры за один цикл; г — число рабочих камер в насосе; и — кратность действия

насоса, т. е. число подач из каждой камеры за один рабочий цикл (один оборот

вала).

Таким образом, рабочий объем насоса

zkVV



(2.2)

Чаще всего k=1, но в некоторых конструкциях k=2 и более.

Действительная подача насоса меньше идеальной вследствие утечек через зазоры

из рабочих камер и полости нагнетания, а при больших давлениях насоса еще и за

счет сжимаемости жидкости.

Отношение действительной подачи Q к идеальной называется

коэффициентом подачи:

исжуии

QqqQQQ /)(/ 



(2.3)

где qу — расход утечек; qсж — расход сжатия.

Когда сжатие жидкости пренебрежимо мало, коэффициент подачи равен

объемному КПД насоса (





)/(/)(/

0 уиуии

qQQQqQQQ 



(2.4)

Полное приращение энергии жидкости в объемном насосе обычно относят к

единице объема и, следовательно, выражают в единицах давления. Так как

объемные насосы предназначены в основном для создания значительных

приращений давления, то приращением кинетической энергии в насосе обычно

пренебрегают. Поэтому давление насоса представляет собой разность между

давлением

на выходе из насоса и давлением

на входе в него:

ppp



(2.5)

а напор насоса

)/( gpН

нн





Полезная мощность насоса

нн

QpN 

(2.6)

Мощность, потребляемая вращательным насосом (затрачиваемая приводящим

двигателем),

ннн





(2.7)

где

— момент на валу насосав,



— угловая скорость его вала.

КПД насоса есть отношение полезной мощности к мощности, потребляемой

насосом

)/(/

ннннпн

MQpNN





(2.8)

Подобно тому, как это принято для лопастных насосов, для объемных насосов

различают гидравлический



, объемный



и механический



КПД,

учитывающие три вида потерь энергии: гидравлические — потери напора

(давления), объемные — потери на перетекание жидкости через зазоры, и

механические — потери на трение в механизме насоса:

иннинГ

ppppp //)(





(2.9)

)/(

0 y

qQQ 



(2.10)

ниннмнм

NNNNN //)( 



(2.11)

где

ин

— индикаторное давление, создаваемое в рабочей камере насоса и

соответствующее теоретическому напору в лопастном насосе;

N

— потери

мощности на трение в механизме насоса;

ин

— индикаторная мощность,

сообщаемая жидкости в рабочей камере и соответствующая гидравлической

мощности в лопастных насосах.

Умножим и разделим уравнение (2.7.8) на

инyин

pqQN )( 

и произведем

перегруппировку множителей. Получим

мГ

ин

yин

инy

ин

pqQ



)(











(2.12)

т. е. КПД насоса (общий) равен произведению трех частных КПД —

гидравлического, объемного и механического.

2.3 Роторные гидромашины. Классификация.

К насосам, применяемым в гидроприводах и других гидросистемах, предъявляют

высокие требования, основными из которых являются: малая удельная масса и объем,

приходящиеся на единицу мощности, высокий КПД, возможность регулирования и

реверса подачи, а также высокая быстроходность и большая надежность. Этим

требованиям наиболее полно удовлетворяют роторные насосы.

Как указывалось выше, к роторным относятся объемные насосы с вращательным или

вращательно-поступательным движением рабо чих органов — вытеснителей. Жидкость

в этих насосах вытесняется в результате вращательного (в шестеренных и винтовых

насосах) или вращательного и одновременно возвратно-поступательного движения

вытеснителей относительно ротора (в роторно-поршневых л пластинчатых насосах).

Особенностью рабочего процесса таких насосов является и то, что при вращении ротора

рабочие камеры переносятся из полости всасывания в полость нагнетания и обратно.

Перенос рабочих камер с жидкостью делает излишними всасывающие и нагнетательные

клапаны.

Отсутствие всасывающих и нагнетательных клапанов в роторных насосах является

основной конструктивной особенностью, которая отличает их от поршневых насосов.

Роторный насос обычно состоит из трех основных частей: статора (неподвижного

корпуса), ротора, жестко связанного с валом насоса и вытеснителя (одного или

нескольких) *.

Рабочий процесс роторного насоса складывается из трех этапов: заполнение рабочих

камер жидкостью; замыкание (изоляции) рабочих камер и их перенос; вытеснение

жидкости из рабочих камер.

Основными свойствами роторных насосов, вытекающими из специфики их рабочего

процесса и отличающими их от поршневых насосов являются следующие.

1. Обратимость, т. е. способность роторных насосов работать в качестве

гидродвигателей (гидромоторов). Это означает, что жидкость, подводимая к насосу под

давлением, заставляет вращаться ротор и вал. Поршневые насосы этой способностью не

обладают.

2. Большая быстроходность. Максимально допустимые значения частоты вращения

для роторных насосов п = (2-^-5) 10

об/мин, причем нижний предел соответствует

большим насосам, а верхний —малым. Для поршневых насосов эти значения в

несколько раз меньше.

3. Способность работать только на чистых (отфильтрованных и не содержащих

абразивных и металлических частиц), неагрессивных и смазывающих жидкостях. Эти

требования к жидкости обусловлены малыми зазорами в роторном насосе и трением

между обработанными по высшим классам точности и чистоты поверхностями

статора, ротора и вытеснителей.

Если первые два свойства роторных насосов являются их преимуществами, то третье

свойство ограничивает применение этих насосов. Работа насосов на воде исключается,

так как вода вызывает коррозию и ведет к быстрому изнашиванию рабочих органов.

Рассмотрим классификацию роторных насосов, соответствующую ГОСТ 17398.72 (рис.

3.18).

По характеру движения вытеснителей роторные насосы разделяют на роторно-

вращательные и роторно-поступательные; в первых рабочие органы совершают лишь

вращательное движение, а во вторых одновременно с вращательным еще и возвратно-

поступательное движение относительно ротора.

Роторно-вращательные насосы разделяют на зубчатые и винтовые. В зубчатых

насосах ротор и вытеснитель имеют форму зубчатых колес, а жидкость перемещается в

плоскости их вращения. В винтовых насосах ротор имеет форму винта, который

одновременно выполняет функцию вытеснителя, а жидкость в насосе перемещается

вдоль осей вращения винтов. Основной разновидностью зубчатых насосов являются

шестеренные.

К роторно-поступательным относятся шиберные (в основном пластинчатые) и

роторно-поршневые насосы. Различие между ними заключается не только в форме

вытеснителей (пластин и поршней) и характере движения жидкости в насосе, но и в

способе ограничения (образования) рабочих камер. Если в пластинчатом насосе рабочие

камеры ограничиваются двумя соседними вытеснителями (пластинами) и

поверхностями ротора и статора, то в роторно-поршневых насосах они образованы

внутри ротора и замыкаются вытеснителями.

Роторно-поршневые насосы по расположению рабочих камер делятся на радиально-

и аксиально-поршневые.

3. Основные сведения об оъемном гидроприводе.

3.1 Назначения и основные свойства

Под объемным гидроприводом понимают совокупность устройств, в число

которых входит один или несколько объемных гидродвигателей, предназначенных

для приведения в движение механизмов и машин с помощью рабочей жидкости

под давлением. Если рабочая жидкость подается в объемный гидродвигатель

насосами, то гидропривод называют насосным. Часть насосного гидропривода,

предназначенную для передачи движения от приводящего двигателя к механиз-

мам машины, называют объемной гидропередачей.

По характеру движения выходного звена различают объемные

гидроприводы вращательного, поступательного и поворотного движения.

По возможности регулирования различают гидроприводы регулируемые и

нерегулируемые, по способу регулирования – с ручным и автоматическим

регулированием, по циркуляции рабочей жидкости – с замкнутой и разомкнутой

циркуляцией. В регулируемом гидроприводе скорость выходного звена объемного

гидродвигателя может изменяться по требуемому закону.

К основному гидрооборудованию объемного гидропривода относятся гидро-

машины (насосы и насосы-моторы), гидродвигатели (гидроцилиндры и гидро-

моторы), гидроаппараты (гидрораспределители, гидроклапаны, регуляторы,

делители и сумматоры потоков), кондиционеры рабочей жидкости (очистители,

теплообменники, гидробаки и гидроаккумуляторы), гидролинии и их элементы

(трубопроводы и соединительная арматура).

К вспомогательному гидрооборудованию относятся устройства, предназна-

ченные для подпитки насоса рабочей жидкостью (эжекторы), выпуска воздуха из

гидросистемы или для сообщения ее с атмосферой (вентили, краны, фильтры-

сапуны), измерения расхода, давления, температуры и уровня рабочей жидкости,

частоты вращения и крутящего момента гидромашин, для соединения трубо-

проводов (быстроразъемные муфты и полумуфты) и др.

Объемный гидропривод имеет следующие преимущества:

1. Высокая компактность при небольших массе и габаритных размерах

гидрооборудования по сравнению с массой и габаритными размерами механи-

ческих приводных устройств той же мощности, что объясняется отсутствием или

применением в меньшем количестве таких элементов, как валы, шестеренные и

цепные редукторы, муфты, тормоза, канаты и др.

2. Возможность реализации больших передаточных чисел. В объемном

гидроприводе с использованием высокомоментных гидромоторов передаточное

число может достигать 2000.

3. Небольшая инерционность, обеспечивающая хорошие динамические

свойства привода. Это позволяет уменьшить продолжительность рабочего цикла и

повысить производительность машины, так как включение и реверсирование

рабочих органов осуществляются за доли секунды.

4. Бесступенчатое регулирование скорости движения, позволяющее

повысить коэффициент использования приводного двигателя, упростить

автоматизацию привода и улучшить условия работы машиниста.

5. Удобство и простота управления, которые обусловливают небольшую

затрату энергии машинистом и создают условия для автоматизации не только

отдельных операций, но и всего технологического процесса, выполняемого

машиной.

6. Независимое расположение сборочных единиц привода, позволяющее

наиболее целесообразно разместить их на машине. Насос обычно устанавливают у

приводного двигателя, гидродвигатели непосредственно у исполнительных

механизмов, элементы управления у пульта машиниста, исполнительные

гидроаппараты в наиболее удобном по условиям компоновки месте.

7. Надежное предохранение от перегрузок приводного двигателя, системы

привода, металлоконструкций и рабочих органов благодаря установке предохра-

нительных и переливных гидроклапанов.

8. Простота взаимного преобразования вращательного и поступательного

движений в системах насос гидромотор и насос гидроцилиндр.

9. Применение унифицированных сборочных единиц (насосов,

гидромоторов, гидроцилиндров, гидроклапанов, гидрораспределителей, фильтров,

соединений трубопроводов и др.), позволяющее снизить себестоимость привода,

облегчить его эксплуатацию и ремонт, а также упростить и сократить процесс

конструирования машин.

3.2 Основные параметры гидрооборудования

Основными параметрами объемных гидроприводов являются

номинальные давление, рабочий объем, частота вращения, расход

жидкости, условный проход и вместимость.

Номинальным давлением р

ном

называют наибольшее избыточное давление,

при котором устройство должно работать в течение установленного ресурса

(срока службы) с сохранением параметров в пределах установленных норм.

В соответствии с ГОСТ 12445-80 (СТ СЭВ 518-77) номинальное давление

(МПа) выбирают из следующего ряда:

0,1; 0,16; 0,25; 0,4; 0,63; 1; 1,6; 2,5; 4; 6,3; 10; 12,5; 16; 20; 25; 32; 40; 50; 63;

80; 100; 125; 160; 200; 250.

Значение номинального давления до 0,1 МПа выбирают по ряду R5, свыше

250 МПа по ряду R10 предпочтительных чисел по ГОСТ 8032-56.

На практике пользуются еще двумя понятиями давления максимальным и

пиковым.

Максимальному давлению р

max

соответствует наибольшее рабочее

давление, характеризующее превышение над номинальным и допускаемое для

периодической работы гидрооборудования.

Пиковому давлению р

соответствует максимальное давление, кратковре-

менно возникающее при создании мгновенного сопротивления потоку и опре-

деляемое динамической характеристикой предохранительного устройства.

Герметичность гидрооборудования проверяют при максимальном давлении

не менее 1,25р

ном

, прочность при 1,5р

ном

. Для проверки запаса прочности гидро-

оборудование подвергают разрушающему давлению, которое в 3.5 раз превышает

номинальное, т.е. р

разр

3р

ном

. Гидрооборудование, подвергнутое разрушающему

давлению, к эксплуатации не допускается.

Номинальный рабочий объем V

(основной параметр объемных насосов,

насосов-моторов и гидромоторов) расчетный рабочий объем, вычисленный без

учета допусков, погрешностей формы и деформаций. Номинальные рабочие

объемы (см

) выбирают из следующего ряда (по ГОСТ 13824-80, соответству-

ющему СТ СЭВ 525-77 и международному стандарту ИСО 3662):

1; 1,25; 1,6; 2; 2,5; 3,2; 4; 5; 6,3; 8; 10; (11,2); 12,5; (14); 16; (18); 20; (22,4); 25;

(28); 32; (36); 40; (45); 50; (56); 63; (71); 80; (90); 100; (112); 125; (140); 160; (180);

200; (224); 250; (280); 320; (360); 400; (450); 500; (560); 630; (710); 800; (900); 1000;

(1120); 1250; (1400); 1600; (1800); 2000; (2240); 2500; (2800); 3200; (3600); 4000;

(4500); 5000; (5600); 6300; (7100); 8000; (9000).

Цифры, указанные без скобок, относятся к основному ряду, а в скобках к

дополнительному. При выборе номинальных рабочих объемов основной ряд

следует предпочитать дополнительному.

Значения номинальных объемов до 1 см

выбирают по ряду R10, свыше 9000

см

по ряду R20 предпочтительных чисел по ГОСТ 8032-56; при этом надо

отдавать предпочтение значениям по ряду R10.

Отклонение действительных значений номинальных рабочих объемов от

указанных не должно быть более ±3 %.

Номинальной частотой вращения n

ном

называют наибольшую частоту вра-

щения, при которой гидромашина должна работать в течение установленного

ресурса (срока службы) с сохранением параметров в пределах установленных

норм. Значения номинальной частоты вращения (об/мин) гидромашин выбирают

из следующего ряда (ГОСТ 12446-80; СТ СЭВ 519-77):

0,6; 0,96; 1,50; 2,40; 3,78; 6,0; 9,6; 15,0; 24,0; 37,8; 60; 75; 96; 120; 150; 192;

240; 300; 378; 480; 600; 750; 960; 1200; 1500; 1920; 2400; 3000; 3780; 4800; 6000;

7500; 9600; 12000; 15000; 19200; 24000.

Для насосов с приводом от электродвигателей допускается применять зна-

чения номинальной частоты вращения соответствующих электродвигателей.

Номинальным расходом Q

ном

гидролиний и гидроаппаратов называют рас-

ход рабочей жидкости с определенной вязкостью при установленном номиналь-

ном перепаде давления. Согласно ГОСТ 13825-80 (СТ СЭВ 520-77) номинальный

расход (л/мин) выбирают из следующего ряда:

1; 1,6; 2,5; 3,2; 4; 5; 6,3; 8; 10; 15,5; 16; 20; 25; 32; 40; 50; 63; 80; 100; 125; 160;

200; 250; 320; 400; 500; 630; 800; 1000; 1250; 1600; 2000; 2500.

Значения номинальных расходов до 1 л/мин следует выбирать по ряду R5,

свыше 2500 л/мин по ряду R10 предпочтительных чисел по ГОСТ 8032-56.

Условным проходом Dу называют округленный до ближайшего значения

из установленного ряда диаметр круга, площадь которого равна площади ха-

рактерного проходного сечения канала гидравлического устройства или площади

проходного сечения присоединяемого трубопровода.

Условные проходы (мм) выбирают из ряда (ГОСТ 16516-8О; СТ

СЭВ 522-77):

1,0; 1,6; 2,0; 2,5; 3,0; 4,0; 5,0; 6,0; 8,0; 10; 12; 16; 20; 100; 125; 160; 200; 250.

Значения условных проходов до 1 мм следует выбирать по ряду Ra5, свыше

250 мм по ряду Ra10 нормальных линейных размеров по ГОСТ 6636-69.

Номинальной вместимостью кондиционеров рабочей среды (гидробаков,

гидроаккумуляторов, теплообменников и очистителей) называют наибольший

объем жидкости, занимающий рабочую полость в процессе эксплуатации. Номи-

нальную вместимость V

ном

в дм

выбирают из ряда (ГОСТ 12448-80; СТ СЭВ 524-

77):

0,4; 0,63; 1,0; 1,6; 2,5; 4,0; 6,3; 10,0; 16,0; 25,0; 40; 63; 100; 125; 160; 200; 250;

320; 400; 500; 630; 800; 1000; 1250; 1600; 2000; 2500; 3200; 4000; 5000; 6300; 8000;

10000; 12500; 16000; 20000; 25000.

3.3 Основные режимы работы и условия эксплуатации гидрооборудования.

Гидрооборудование, устанавливаемое на мобильных машинах с объемным

гидроприводом, эксплуатируется преимущественно на открытом воздухе при

широком диапазоне изменения температуры, в условиях, характеризуемых по-

вышенной запыленностью воздуха, частыми кратковременными перегрузками и

вибрацией. Режимы работы гидрооборудования определяются величиной и ин-

тенсивностью внешней нагрузки, характером рабочего процесса и другими фак-

торами (табл. 1.1).

Условия эксплуатации машин с гидроприводом определяются климатиче-

скими факторами внешней среды температурой, влажностью и давлением

воздуха, солнечным излучением, дождем, ветром, пылью, инеем и соляным мор-

ским туманом. ГОСТ 15150-69 устанавливает исполнения, категории, условия

эксплуатации, хранения и транспортирования изделий в части воздействия

климатических факторов внешней среды, которые разделяются на нормальные,

номинальные, рабочие и предельные.

При расчетах номинальных параметров изделий учитывают воздействие

эффективного значения климатического фактора в процессе эксплуатации и хра-

нения, которое оказывает влияние на срок службы и ресурс гидрооборудования.

Таблица 3.1. Режим работы гидрооборудования

Режим работы

Пример

Наименование Характеристика

Легкий

Эпизодическая работа

не связанная с

технологическим

циклом машины

(установка

исполнительных органов

до начала рабочих

операций)

Привод механизмов подъема и

опускания рабочего органа

рыхлителей, дорожных фрез,

кусторезов, каналокопателей,

снегоочистителей, выносных

опор экскаваторов, стреловых

самоходных кранов и других

машин.

Средний Периодическая работа,

связанная с

технологическим

Привод рабочего оборудования,

скреперов, автогрейдеров,

бульдозеров и кранов

автомобильных, коммунальных

циклом машины машин; привод рулевого

управления самоходных машин

Тяжелый

Постоянная работа при

выполнении

технологического цикла

машины или ее

передвижений

Привод рабочего оборудования

одноковшовых экскаваторов,

погрузчиков, экскаваторов

дреноукладчиков,

автобетононасосов, валочно-

пакетирующих и бурильных

машин; привод механизмов

передвижения дорожных катков,

асфальто- и бетоноукладочных

машин

Для гидрооборудования общего применения, удовлетворяющего комплексу

технических требований, общему для большинства случаев применения, в качестве

номинальных принимают значения климатических факторов внешней среды, в

пределах которых обеспечивается нормальная эксплуатация. В нормативно-

технической документации (НТД) на гидрооборудование указывают рабочие значения

климатических факторов, в пределах которых обеспечивается сохранение

номинальных параметров, и экономически целесообразный срок службы

гидрооборудования

Значения климатических факторов, при которых гидрооборудование чрез-

вычайно редко и в течение не более 6 ч может оказаться в процессе эксплуатации,

принято считать предельными рабочими, и изделия должны при этом:



сохранять работоспособность с допустимыми отклонениями от номинальных

параметров, указываемых в технических условиях;



после прекращения действия этих предельных рабочих значений восста-

навливать номинальные параметры;

В зависимости от воздействия климатических факторов в процессе эксплу-

атации машин в технических условиях на конкретные виды гидрооборудования

указывают климатические исполнения и допустимые отклонения параметров от их

первоначальных значений.

Согласно ГОСТ 15150-69 территория земного шара разделена на

макроклиматические районы. Поставляемые в эти районы изделия должны изготавли-

ваться в соответствующих климатических исполнениях с учетом категории раз-

мещения (укрупненно), характеризующей воздействие климатических факторов

внешней среды в пределах данной географической зоны.

Анализ влияния климатических факторов внешней среды и многолетний

опыт эксплуатации большого количества мобильных машин с объемным гидро-

приводом показали, что температура внешней среды оказывает наибольшее влияние

на надежность и работоспособность гидрооборудования [4, 5, 10, 12, 14, 15, 25].

К макроклиматическому району с умеренным климатом, относятся районы,

где средняя из ежегодных абсолютных максимумов температура воздуха равна или

ниже плюс 40°С, а средняя из ежегодных абсолютных минимумов температура

воздуха равна или выше минус 45 С (исполнение У).

К макроклиматическому району с холодным климатом относятся районы, в