Гідравлічні насоси

Гідравлічний насос – гідравлічна машина призначена для перетворення механічної енергії в енергію стиснутої рідини. Гідронасос - перетворювач, який призначений для перетворення обертового руху вала гідронасоса у потік робочої рідини під тиском всмоктуванням робочої рідини у робочу камеру, стисканням її та подачею у гідропривід, тобто механічна енергія затрачена на зміну об’єму робочої камери перетворюється у потенціальну енергію стиснутої рідини. У гідроприводі металорізальних верстатів використовується лише об’ємні гідронасоси, характерною особливістю яких є створення потоку строго визначеного об’єму робочої рідини в часі.

Важливим параметром гідронасоса є об’єм робочої камери, який визначається

, (3.49)

де V₁ і V₂ - найменший та найбільший об’єми робочої камери,дм³;

z – кількість робочих камер.

Теоретична продуктивність (л/хв), яка не враховує об’ємних втрат, гідронасоса визначається за виразом

, (3.50)

де n – частота обертання вала гідронасоса, хв^-1.

Фактична продуктивність насоса менша від теоретичної на величину об’ємних втрат, викликаних негерметичністю рухомих з’єднань елементів конструкції насоса

, (3.51)

де Q_вт – об’ємні втрати робочої рідини.

Повний коефіцієнт корисної дії (ККД) гідронасоса визначається

, (3.52)

де , , - коефіцієнти, які враховують об’ємні , механічні та гідравлічні втрати у насосі за умови подачі робочої рідини під тиском у гідропривод.

Потужність, яку споживає гідронасос

(3.53)

де , ,M та n потужність, ККД, обертовий момент та частота обертання привідного електродвигуна.

Потужність (кВт), яку віддає насос потоку робочої рідини

, (3.54)

де – тиск робочої рідини на виході гідронасоса, МПа.

Об’ємні втрати у гідравлічному насосі залежать від різниці тисків на вході та виході насоса, а практично від вихідного тиску, оскільки вхідний тиск рівний практично атмосферному, і лінійно зростають від останнього (рис. 3.6,а), збільшення об’ємних втрат до 7% від теоретичної продуктивності свідчить про критичне зношення насоса.

а б

Рис. 3.6 Залежність продуктивності гідронасоса ( ) від тиску р на виході (а) та частоти n обертання його вала (б).

На рис. 3.6,б, наведена залежність продуктивності гідронасоса від частоти обертання його валу. За умови зростання частоти від n₀ до n₁ продуктивність зростає пропорційно частоті обертання вала насоса, в діапазоні від n₁ до n₂ дещо зростають об’ємні втрати так, що продуктивність лишається майже незмінною, подальше збільшення частоти обертання призводить до зниження продуктивності за рахунок виникнення явища кавітації – розриву потоку рідини через невстигання заповнення нею робочого об’єму насоса. Явище кавітації супроводжується інтенсивною вібрацією, шумом та руйнуванням елементів конструкції насоса. Найчастіше використовуються гідронасоси з частотою обертання вала 1500 хв^-1. З характеристики насоса (рис. 3.6) можна зробити наступні висновки:

- за умови зниження тиску робочої рідини на виході р=0 фактична продуктивність насоса рівна теоретичній;

- тиск на виході визначається опором гідросистеми і входить до складу вихідних параметрів розрахунку елементів конструкції насоса;

- у разі зростання тиску р > 0 продуктивність насоса зменшується на величину об’ємних втрат, за якими можна судити про експлуатаційну придатність насоса.

Крім вказаних, у разі вибору гідронасоса важливими є наступні особливості:

- тип насоса;

- спосіб кріплення;

- діапазон температур використання;

- створюваний шум під час роботи;

- рекомендовані типи робочих рідин.

Аксіально-поршневий гідронасос складається з ведучого валу 1 (рис.3.7.), який обертає ротор 2 з розташованими в ньому поршнями 3 (8 – 16 шт), які закріплені через шарніри до нахиленої пластини 4.Нахил пластини під кутом αдо вертикальної площини забезпечує поздовжнє переміщення поршнів з відповідною зміною об’єму робочої камери. Кожна камера через вхідний отвір сполучена з пазами 6 і 7 розподіляючого диску 5. Кут нахилу пластини α може бути незмінним у насосах з нерегульованою продуктивністю і з передбаченим конструктивним регулюванням у гідронасосах з регульованою продуктивністю і може змінюватись до 35^°.

Рис.3.7.Аксіально-поршневий гідронасос

Теоретична продуктивність насоса визначається за виразом

, (3.55)

а об’єм робочої камери (дм³ або л)

, (3.56)

де d – діаметр поршня, дм; D – діаметр за яким розташовані поршні у роторі, дм; z - кількість поршнів; α - кут нахилу пластини до вертикальної площини.

Аксіально-поршневі гідронасоси компактні, характеризуються малою металоємністю та високою енергомісткістю, випускаються промисловістю з такими параметрами (див табл.).

Рис. 3.8.Гвинтовий гідронасос

Гвинтовий насос, який складається з двох (може бути трьох) гвинтів (рис.3.8.), один з яких провідний, подає робочу рідину вздовж гвинта об’ємом одного витка впадини за один оберт. Робочий об’єм (дм³ або л) визначається виразом

, (3.57)

де - площа западини гвинта, дм;

- довжина одного витка, дм.

Або

(3.58)

і тоді

, (3.59)

де D – зовнішній діаметр гвинта; d – внутрішній діаметр гвинта; - крок гвинта.

Суттєвою перевагою гвинтових насосів є стійкість елементів конструкції, що уможливлює використовувати їх для високих тисків, рівномірність продуктивності насоса та безшумність роботи.

Пластинчастий гідронасос випускається промисловістю у двох конструктивних виконаннях: одинарної (рис. 3.9) та подвійної дії (рис.3.10).

Пластинчастий насос одинарної дії (рис.3.9) складається з статора 1 закріпленого до корпусу насоса, ротора 2, в пази якого вставлені з можливістю переміщення пластини 3. У бокових кришках насоса виконані пази 4 та 5, які сполучені з гідробаком та гідроприводом. Під час обертання ротора гідронасоса електродвигуном під дією відцентрової сили пластини притискаються до внутрішньої поверхні статора, за наявності ексцентриситету e на половині оберту пластини виходять з ротора, а на другій заходять в нього, і одночасно через канал 4 буде відбуватись засмоктування робочої рідини з гідробака а через канал 5 стискатись та подаватись до гідросистеми. Теоретичний об’єм робочої камери пластинчастого насоса одинарної дії буде визначатись за виразом

а	б
Рис. 3.9. Пластинчастий гідронасос одинарної (а) і подвійної (б) дії

, (3.60)

де е – ексцентриситет, дм; b – ширина пластини, дм; R – радіус внутрішньої поверхні статора, дм; z – число пластин;δ – товщина пластин, дм.

У гідронасосі подвійної дії внутрішня поверхня статора 1 виконана овальною, а ротор 2 встановлений співвісно статору, тоді об’єм робочої камери (дм³, л)

, (3.61)

де R₁ і R₂– найменший та найбільший радіуси внутрішньої овальної поверхні статора.

Шестеренчастий гідронасос- являє собою зубчасту пару 1-1 (рис.3.11.), яка перебуває у зачеплені і розташована у корпусі 2, Одна з двох шестерень є провідною і зв’язана через муфту з валом електродвигуна. Робоча рідина через вхідний отвір 3 попадає у впадини зубчастих коліс і переноситься до вихідного отвору 4.

Об’єм робочої камери шестерінчастого насоса визначається з умови, що насос переміщує об’єм робочої рідини, який рівний об’єму западин обох зубчастих коліс

(3.62)

де - діаметр ділильного кола зубчастого колеса, дм;

h = 2m – висота активної частини зубця, дм; m – модель зубця; b – ширина зубця, дм; z – кількість зубців шестерні.

Шестерінчасті насоси конструктивно прості, надійні, але здійснюють подачу рідини зі значною пульсацією та шумом.

Радіально поршневий гідронасосскладається з статора 1 (рис.3.12.), який здатний переміщуватись відносно осі обертання ротора 2, і відповідно змінювати значення ексцентриситету е. У роторі встановлені поршні 3, які під час обертання ротора та наявності ексцентриситету переміщуються вздовж своєї осі під дією відцентрової сили. На першій половині кола під час виходу поршня з ротора відбувається засмоктування робочої рідини з гідробака через канал 4 та витіснення її під тиском до гідроприводу через канал 6 на другій половині. Канали 4 та 6 розділені переділкою 5.

Об’єм робочої камери визначаються за виразом

Рис. 3.12. Радіально поршневий гідронасос.

, (3.63)

де - d – діаметр поршня циліндра, дм;

e – ексцентриситет, дм;

z – кількість поршнів.

Тип насосу для розроблюваного гідропривода обирають в залежності від корисного зусилля та тиску, швидкості виконавчих органів та способу її регулювання і відповідно розрахункової продуктивності насоса.

3.5. Вибір гідронасоса в залежності від корисного зусилля та тиску робочої рідини

При цьому необхідно враховувати наступні рекомендації по вибору типу гідронасоса в залежності від типу верстата, для якого проектується гідропривод, та параметрів виконання ним переміщень виконавчих органів.

3.6. Рекомендації по вибору гідронасоса в залежності від типу верстату

3.7. Основні характеристики гідронасосів

	. Рис 3.14. Гідравлічна схема насосної установки Г 48-1
Рис. 3.13 . Будова гідростанції

Насосні установки Насосна установка (гідростанція) – сукупність насосів, одного або декількох, гідробака та гідроапаратів об’єднаних з метою забезпечення надійної подачі заданого об’єму рідини до гідросистеми, з урахуванням вимог температурного режиму робочої рідини, різниці між об’ємом заповнення та спорожнення гідроапаратів, до місця експлуатації гідроприводу та повернення заданого об’єму робочої рідини.

Гідравлічна станція у гідроприводі виконує наступні функції :

- подачі робочої рідини до гідроприводу та зберігання необхідного її запасу;

- охолодження робочої рідини;

- відведення з робочої рідини повітря, води та твердих включень;

- розміщення всіх гідроапаратів необхідних для забезпечення подачі до гідроприводу робочої рідини з заданими параметрами.

До складу гідростанції (рис.3.13) входять: камера всмоктування 1, всмоктувальна труба 2, гідролінія подачі рідини до гідроприводу 3, електродвигун з гідронасосом 4, перегородка 5, зливна труба 6, клапан усунення надлишкового тиску (сапун) з фільтром заливки оливи 7, вказівник максимального рівня робочої рідини 8, люк для очищення бака 9, вказівник мінімального рівня робочої рідини 10, зливна пробка 11.

Насосна установка (рис.3.14) подає робочу рідину під тиском до гідроприводу з допомогою гідронасоса Н1 через фільтр Ф1 та зворотний клапан ЗК1, який запобігає зливу робочої рідини з гідроприводу за непрацюючого насосу. Тиск робочої рідини задається клапаном тиску КТ1. Відпрацьована рідина через підпірний клапан ЗК2 поступає до гідробаку через радіатор РА, клапан ЗК3 запобігає його перевантаженню. Контроль за тиском здійснюється з допомогою манометра МН, для запобігання недопустимого перевищення тиску на виході насосної установки встановлене реле тиску РТ1.

Насосна установка вибирається за витратами рідини гідроприводу та потужністю, обов’язково необхідно враховувати ККД гідроприводу, щоб температура олії в баку не перевищувала 55 º С.

Коефіцієнт корисної дії гідроприводу визначається відношенням корисної роботи до затраченої, і характеризує його ефективність

, (3.64)

де та - корисні споживані витрати робочої рідини та робочий тиск і-того гідродвигуна; T,t – тривалість циклу гідропривода та роботи і-го гідродвигуна.

В результаті витрат потужності (кВт) гідроприводу на тертя частинок рідини між собою, частинок рідини по поверхні трубопроводів та гідроапаратів, відбувається виділення тепла, величина якого визначається

_. (3.65)

Після виконання гідравлічною системою чергового циклу нагріта робоча рідина потрапляє до гідробаку, де необхідно очистити та знизити її температуру. У гідравлічному приводі металорізальних верстатів температура робочої рідини не повинна перевищувати 55⁰ С.

В результаті нагрівання робочої рідини температура оливи в гідравлічному баку підвищиться на величину

, (3.66)

де k – коефіцієнт теплопередачі від поверхні бака до оточуючого середовища, ; S – поверхня теплопередачі бака, см².

Об’єм (л) робочої рідини в баці можна визначити за виразом

. (3.67)

Якщо прийняти температуру оточуючого середовища 20⁰ С, то можна визначити необхідний об’єм робочої рідини за допустимого нагріванні її на ΔТ=35⁰ С. Значно зменшити об’єм бака можна використанням повітряних або водяних теплообмінників.

-3.6. Гідроапарати керування