Живов Л.И., Овчинников А.Г., Складчиков Е.Н. Кузнечно-штамповочное оборудование

Подождите немного. Документ загружается.

Раздел IL ГИДРАВЛИЧЕСКИЕ ПРЕССЫ

мосферного и жидкость из резервуара самотеком устремляется в него, чтобы

восстановить прежний уровень.

Воздушный колпак 4 устанавливают также и на напорной трубе 5, благодаря

чему устраняют опасность разрыва струи в напорной магистрали. При этом

уменьшается геометрическая высота напора в результате увеличения потерь на

трение в более длинной магистрали, появляется возможность увеличения частоты

вращения кривошипного вала в связи с уменьшением инерционного напора.

Воздушные колпаки для наиболее эффективного их действия устанавливают

по возможности ближе к плунжеру, кроме того, в колпаке необходимо поддер-

живать определенный объем воздуха. Избыток воздуха удаляют через всасы-

вающие трубы, которые имеют небольшие отверстия. Размеры этих отверстий

сделаны с таким расчетом, чтобы воздух не засасывался большими порциями

для предотвращения гидравлических ударов.

Воздушный колпак на напорной магистрали должен быть достаточно проч-

ным ввиду возможных повышений давления при пуске насоса. Находящийся

в напорном колпаке воздух частично растворяется в жидкости при высоких дав-

лениях. Для поддержания постоянного объема воздуха в напорном колпаке не-

достаточно воздуха, засасываемого из всасывающего колпака, поэтому для

крупных насосов дополнительно устанавливают воздушные компрессоры.

Для периодического отключения насосной камеры от всасывающей и нагне-

тающей магистралей применяют самодействующие клапаны. Их размеры и вы-

соту подъема определяют по допустимым скоростям течения жидкости в кла-

пане. Работа клапанов при определенных количествах ходов плунжера в минуту

сопровождается стуком. Частоту вращения кривошипного вала насоса, при ко-

торой возникает стук клапанов, называют критической. Из-за рассогласования

открытия и закрытия клапанов при движении плунжера подача жидкости стано-

вится неустойчивой, возрастают утечки, возможен разрыв струи. Все это приво-

дит к быстрому износу деталей клапанов.

Согласно данным И.И. Куколевского, стук клапанов зависит от скорости их

посадки в седло и возникает при скорости 50...60 мм/с. В связи с этим за крите-

рий стука было принято произведение угловой скорости кривошипного вала на-

соса на максимальную высоту подъема клапана, равное критической скорости

его посадки в седло:

(О/г,,, = 50...60, (8.1)

ИЛИ

^/z,,,^

500...600,

где п - частота вращения кривошипного вала. Формула (8.1) является довольно

простой и в то же время обеспечивает необходимую точность расчетов.

В зависимости от количества насосных камер и плунжеров насосы подраз-

деляют на одно-, двух- и трехплунжерные. В многоплунжерных насосах плун-

240

Глава 8. Типовые конструкции узлов гидропривода

жеры располагают параллельно, а кривошипы устанавливают под различными

углами, чтобы обеспечить наиболее равномерную подачу жидкости. Наиболее

распространены трехплунжерные насосы с кривошипами, расположенными

под углом 120° один относительно другого. Такая последовательность работы

плунжеров обеспечивает наибольшую равномерность подачи жидкости в про-

цессе полного оборота кривошипного вала. Для определения перемещения

плунжера насоса используют выражение

5 =7?[(l-cosa) + 0,25>.(l-cos2a)],

где 7? - радиус кривошипа;

X =

R/l - отношение радиуса кривошипа к длине

шатуна. Скорость и ускорение плунжера вычисляют по формулам

= coi?(sina + 0,5A.sin2a);

J = co^7?(cosa + ^cos2a).

Средняя подача жидкости (производительность) плунжерного насоса

^ к 30 '

где Z

- число плунжеров;

F^^

- плогцадь поперечного сечения плунжера.

Мгновенная производительность плунжерных насосов определяется ско-

ростями перемещения плунжеров. Например, для трехплунжерного насоса

QiMr

=^пл^^(8та + 0,5Х8ш2а);

е11мг=^плСоЛИп(а + 120°) + 0,5^8т2(а + 120°)];

бшмг = ^пл«^[8т (а + 240°) + 0,5?isin 2(а + 240°)].

На рис. 8.2 показано изменение подачи жидкости каждым плунжером трех-

плунжерного насоса за один оборот. На рисунке видно, что на участке поворота

кривошипного вала от

до к/3 мгновенная подача жидкости суммируется из по-

дач I и III плунжеров. Подачи жидкости будут также суммироваться на участках

от 2п/3 до

и от 4к/3 до 5к/3. На участке от

до тс/З суммарная мгновенная

подача

бшмг =^„л^^[51па+0,5?18т2(а + 120'') + 8т(а + 120^) + 0,5;18т2а]. (8.2)

Для определения максимальной подачи жидкости насосом необходимо про-

изводную выражения (8.2) приравнять нулю. Например, максимальная подача

трехплунжерного насоса на участке от

до ти/З

!^мг max ~ ^ пл ^^ •

241

Раздел IL ГИДРАВЛИЧЕСКИЕ ПРЕССЫ

I Нагнетание

-^TTTTTTTTTZ

Всасывание

Рис.

8.2. Изменение подачи трехплунжерного насоса за один оборот

кривошипного вала

Для упрощения расчетов было принято, что

= 0. Аналогично можно найти

максимальную подачу жидкости при углах а

57г/6

и 97с/6. Наименьшая пода-

ча жидкости будет при углах а =

О,

тг/3, 27с/3 и т. д.

Наименьшую подачу жидкости при ^ =

определяют по формуле

Относительная неравномерность подачи жидкости

2 _ д:>мгтах •g^Mrmin

бор

Для трехплунжерного насоса при ^ =

мгтш _

.ср

З/тс

-0,14,

что является вполне удовлетворительным для гидравлических прессов. Анало-

гично можно определить относительную неравномерность подачи жидкости при

242

ава 8.

Типовые конструкции узлов гидропривода

любых других значениях X. С увеличением X относительная неравномерность

подачи возрастает.

При расчете и конструировании насосов важными параметрами являются

длина и средняя скорость хода плунжера. Эти параметры выбирают на основа-

нии рекомендаций, установленных по данным экспериментальных исследований

и опыта эксплуатации насосов:

5 = (1,2...3,0)J;V,P<3M/C.

При скоростях движения плунжера более 3 м/с происходит быстрое изна-

шивание уплотнений. Рекомендуемая частота вращения кривошипного вала

кривошипно-плунжерного насоса ограничивается его неустойчивой работой

(стуком клапанов), ее устанавливают в пределах

95...

180 об/мин.

Мощность на кривошипном валу насоса определяют по формуле

Л^

_ PQ

л об л ме

где

Tj^gj^

- механический КПД насоса, значение которого при расчетах прини-

мают равным 0,80... 0,85.

Мощность электродвигателя рекомендуют выбирать на 10...

% выше расчет-

ной,

учитывая электрические потери и неравномерность подачи жидкости.

Конструкция кривошипно-плунжерного насоса с тремя плунжерами показа-

на на рис. 8.3. Станину 1 изготовляют из чугунного литья весьма массивной для

погашения вибраций, вызываемых неравномерным поступательным движением

плунжеров. При выборе размеров станины определяют напряжения от растяже-

ния силой, равной суммарной силе на плунжерах. Допустимое напряжение ус-

танавливают из условия расчета на жесткость и принимают [а] = 8 МПа. Криво-

Ш'А \Ш

Рис.

8.3. Конструктивная схема кривошипно-плунжерного насоса

243

Раздел

11.

ГИДРАВЛИЧЕСКИЕ ПРЕССЫ

шинный вал 2 изготовляют кованым из стали 45, допустимое напряжение при

расчете на кручение и изгиб [а] = 50 МПа. Опорами вала являются подшипники

скольжения или качения (роликовые подшипники).

Шатуны 3 и ползуны 4 изготовляют ковкой или литьем из стали. Длину шатуна

рекомендуют принимать не менее пяти радиусов кривошипа (/ > 5R). Направляю-

щие ползуна 5 могут быть плоскими или цилиндрическими. Допустимое давление

[р] =

0,2

...0,3

МПа. Направляющие обычно являются сменными, что позволяет ре-

гулировать зазор по мере их износа. Плунжеры 6 изготовляют из легированной кор-

розионно-стойкой стали марок 3X13 и 2X13. Поверхность плунжера твердая и

зеркально-гладкая. Соединение плунжера с ползуном должно позволять его регули-

ровку при монтаже в радиальном направлении. Блок цилиндров 7 выполняют кова-

ным из стали 30; клапаны, седла, пружины и крепежные детали изготовляют из

коррозионно-стойкой стали.

При использовании кривошипных плунжерных насосов в безаккумулятор-

ном приводе необходимо предусмотреть возможность перевода его на холостую

работу в конце рабочего хода, когда расход жидкости прессом прекратится.

Всасывающая труба должна иметь фильтр, площадь проходного сечения ко-

торого в шесть раз больше, чем сечение трубопровода.

Ротационно-плунжерные насосы. Эти насосы могут быть с радиальным и

аксиальным расположением плунжеров. Конструктивная схема ротационно-

плунжерного насоса показана на рис. 8.4. Рабочие цилиндры 2 ротора 7 с плунже-

рами 3 вращаются вокруг неподвижной оси, которая имеет распределительные

окна 5 и б с осевыми каналами, соединяющими рабочие цилиндры 2 соответст-

венно всасывающим и нагнетающим трубопроводами. При вращении ротора 7,

расположенного эксцентрически относительно барабана 8, рабочие плунжеры бу-

дут совершать возвратно-поступательное движение в радиальном направлении,

производя всасывание и нагнетание жидкости. Эксцентриситет может изменяться

при повороте барабана 8 вокруг оси 4 под действием сервопривода 7.

Радиальные ротационно-плунжерные насосы более компактны по сравне-

нию с кривошипными при одинаковой производительности. Их можно устанав-

ливать непосредственно на прессе. Применяют эти насосы для подачи жидкости

при давлениях до 25 МПа. При дальнейшем увеличении нагнетаемого давления

резко возрастают утечки через радиальный зазор между неподвижной (распре-

делительной) осью и ротором, а также нагрузки на ось. Ротационно-плунжерные

насосы работают только на масле, имеющем более высокую вязкость по сравне-

нию с водными эмульсиями. Для повышения производительности рабочие ци-

линдры насоса можно устанавливать в несколько рядов.

Ротационно-плунжерные насосы строят для подачи жидкости высокого дав-

ления с расходом до 1000 л/мин. В их конструкциях предусмотрено перемеще-

ние ротора относительно барабана, т. е. возможно изменение эксцентриситета,

а следовательно, и производительности насоса. При выборе размеров окон

и каналов всасывания для насосов без принудительной подкачки необходимо

244

Глава 8. Типовые конструкции узлов гидропривода

Рис.

8.4. Схема ротационно-плунжерного насоса с ради-

альным расположением плунжеров

245

Раздел II.

ГИДРАВЛИЧЕСКИЕ ПРЕССЫ

Рис.

8.5. Схема сил, действующих на плун-

жер ротационно-плунжерного насоса

исходить из скорости течения жидкости, которая должна быть не более 2...3 м/с,

а в окнах и каналах нагнетания - не более 5... 10 м/с.

Для определения силы, действующей на плунжер, и крутящего момента на

валу ротора рассмотрим схему, приведенную на рис. 8.5. Равнодействующую

давления жидкости на поршень

P=(Kdy4)p

(где d - диаметр плунжера; р - давление жидкости) можно разложить на две со-

ставляющие - тангенциальную

Р^

и радиальную Р„ по отношению к оси барабана:

= Ptgp;P„ = P/cosp, (8.3)

где

- угол между осью плунжера и радиусом барабана.

Выразив Р через угол X поворота ротора:

/? sina . ^ е .

—

= , или sin р=—sin а,

sin р

и подставив его в формулы (8.11) и (8.12), находим

Р^=Р tg\_aicsm{e/Rsinа)У, Р^

cos [arcsin (e/R sin а)]

Из выражений (8.4) следует, если а =

или п,тоР^

ОиР„

Р„^

если же а=я/2, тоР,

Р,^,^иР^

Р„^^.

(8.4)

246

Глава 8.

Типовые конструкции узлов гидропривода

Чтобы уменьшить давление между трущимися поверхностями ротора и

распределительной оси, используют гидравлическую разгрузку, для чего по

обе стороны распределительных окон делают круговые канавки. Через зазор

между ротором и осью жидкость проникает в канавки и давление жидкости

выравнивается.

Крутящий момент на валу ротора есть сумма произведений сил

Р^^

на соот-

ветствующие радиусы

р^,

которые являются переменными. Согласно рис. 8.5,

где

р1 =

R - X,

(е-\-

R) - (ecosa-^ R cos р);

cos^

^-(e/Rysm^a - l-0,25(e/i^)^(l-cos2a).

(8.5)

(8.6)

Подставив выражение для cos Р в соотношения (8.6) и (8.5), после преобра-

зований получим

X =

4RJ

cosaH

cos

2а

cosaH

cos

2а

e 4R

(8.7)

Результирующий крутящий момент

М = Г,р,+Г2Р2+- = Е^-Р/-

Результирующий момент является сложной гармонической функцией с час-

тотой колебаний, равной произведению частоты вращения ротора и числа ци-

линдров

при четном количестве цилиндров либо удвоенному их произведению

при нечетном количестве. Неравномерность крутящего момента

А^^

определяют

по

следующим выражениям:

для

нечетного числа цилиндров и

для четного их числа. Неравномерность крутящего момента у насоса с десятью

плунжерами такая же, как у насоса с пятью плунжерами. Для насоса с пятью

плунжерами минимальный крутящий момент

М =0 94М

При вращении ротора насоса с постоянной угловой скоростью плунжер совер-

шает возвратно-поступательное движение, скорость и ускорение которого могут

247

Раздел П. ГИДРАВЛИЧЕСКИЕ ПРЕССЫ

быть определены следующим образом. Скорость относительного поступательного

движения плунжера находим дифференцированием уравнения (8.7) по времени:

dx da

dOL dt

-co

= сое

sinaH sin 2a

(8.8)

Полное ускорение любой точки плунжера складывается из геометрической

суммы трех ускорений: относительного в направлении оси плунжера, перенос-

ного (вращательного) и ускорения Кориолиса (поворотного).

Относительное ускорение определяют дифференцированием выражения (8.8)

по времени:

7о

dv.

Од^е cosa +—cos2a

причем оно направлено по оси от центра.

Переносное ускорение точки А плунжера равно произведению радиуса р

и квадрата угловой скорости и направлено по оси плунжера к центру:

Лер=^'р = ^'^

е ^ R е

cos

н cos

2а +

47? е 4R

Поворотное ускорение центра тяжести плунжера направлено перпендику-

лярно его оси в противоположную вращению ротора сторону при движении

плунжера к центру и в направлении вращения ротора при его движении в обрат-

ном направлении:

Упов

= 2соу,,„8ту,

где у - угол между осью ротора и направлением относительной скорости плун-

жера

Vo^„,

у= 90°. Следовательно,

(О^е 2sina +—sin2a

Зная ускорения, можно определить значения и направления инерционных

сил при работе насоса.

Теоретическая средняя подача насоса за один оборот

Х„= zh

-ср ^

Kd'

ze-

а за единицу времени

Q = = 15zeJ^co.

^ср

2п

248

г л ава 8. Типовые конструкции узлов гидропривода

Действительная средняя подача всегда является меньше расчетной в связи с

утечкой жидкости:

где

Г|(5б

= 0,85 ...0,95 для радиальных ротационно-плунжерных насосов.

Мгновенная подача жидкости одним плунжером пропорциональна относи-

тельной скорости его движения:

QuT =

^o.nf =^ef\ sina + ^sin2a

Суммарная мгновенная подача всех плунжеров, находящихся в нагнета-

тельной полости.

Qur =

^ef

^ е ^

sin а, +—sin 2а,

V 2i? 'у

sin а, +—sin 2а,

К ' 2R 'j

...

где aj, а2, ... - углы, образованные осями плунжеров по отношению к первона-

чальному положению, соответствующему наибольшему эксцентриситету.

Чем больше плунжеров, тем меньше амплитуда пульсаций. Равномерность

подачи жидкости выше при нечетном количестве плунжеров. Относительная

неравномерность подачи

бор

При наличии пяти плунжеров относительная неравномерность подачи рота-

ционно-плунжерного насоса составляет около 5 %.

Колебания подачи жидкости сопровождаются колебаниями ее давления, при-

чем

амплитуда колебаний давления всегда выше, чем амплитуда колебаний подачи.

Мощность на валу ротора насоса

pQ _l5zed^^(0p

мех

гдеЛмех = 0,94...0,96.

Конструкция ротационно-плунжерного насоса со свободно перемещающи-

мися плунжерами показана на рис. 8.6.

Ротационно-плунжерный насос имеет литой корпус 4, в котором располо-

жен барабан 5 с вращающимся ротором 6; блок цилиндров 7 с плунжерами 8;

неподвижную ось с распределительными каналами - нагнетающим 9 и всасы-

вающим 10; приводной вал 2; муфту 3 и шестеренный насос 7.

При вращении приводного вала 2 вращается блок цилиндров

с плунжерами 8.

При эксцентричном расположении осей блока цилиндров и барабана плунжеры

перемещаются в радиальном направлении, производя всасывание жидкости из

249