Лабораторна робота №1,2

ВИЗНАЧЕННЯ ХАРАКТЕРИСТИК ОБ’ЄМНИХ ВТРАТ НАСОСА ТА ДОСЛІДЖЕННЯ СТАТИЧНОЇ ХАРАКТЕРИСТИКИ НАСОСНОЇ СТАНЦІЇ

Мета роботи. Вивчити принцип дії насосів гідросистем, засвоїти методику визначення їх об’ємного ККД й дослідити залежність об’ємних втрат насоса від тиску на виході насоса; вивчити будову насосних станцій гідроприводів і визначити статичну характеристику типової насосної станції.

1.1 Короткі теоретичні відомості

Принцип дії насосів гідросистем. Насос перетворює підведену до його вхідної ланки (валу) механічну енергію в гідравлічну енергію потоку рідини.

В сучасній техніці використовуються динамічні і об’ємні насоси.

Робочим органом динамічного насоса, як правило, являється обертове робоче колесо, оздоблене лопастями. Енергія від робочого колеса передається рідині за рахунок динамічної взаємодії лопастів робочого колеса з обтікаючою їх рідиною. Динамічні насоси широко застосовуються в системах водо- і теплопостачання, технологічних установках хімічної і нафтопереробної промисловості, побутовій техніці і інших пристроях, де не потрібні створення високих (>1 МПа) тисків.

В гідроприводах і системах гідроавтоматики частіше застосовуються об’ємні насоси.

Основний елемент конструкції об’ємного насоса – робоча камера. Робочий процес об’ємного насоса заснований на позмінному заповненні камери рідиною (при з’єднанні її з гідролінією нагнітання). Об’ємний насос, як правило, має кілька таких камер.

В залежності від конструкції деталей, утворюючих робочі камери, розрізняють пластинчасті, поршневі та шестерні насоси.

Розглянемо принцип дії об’ємного насоса на прикладі пластинчастого насоса, який широко застосовується у гідроприводах металоріжучих станків завдяки простоті надійності і малої шумності роботи.

Схема пластинчастого насоса показана на рис. 1.1. Основними деталями насоса являються ротор 1, пластини 2, статор 3, приводний вал 4. Пластини вставлені в спеціальні пази ротора з можливістю вільного переміщення в радіальному напрямку.

При запуску насоса під дією центробіжної сили пластини прижимаються до внутрішньої поверхні 5 статора (направляючої) і далі постійно контактують з напрямляючою за рахунок центробіжної сили і тиску нагнітання, останній підводиться під торці пластин по каналу 6. Таким чином, робочі камери насоса обмежені відповідними поверхнями статора, ротора, пластин і бокових дисків (на рис. 1.1 не показані).

Рис. 1.1. Схема пластинчастого насоса

Направляюча представляє собою замкнуту поверхню, створену чотирма ділянками з постійними радіусами R₁ і R₂ і чотирма перехідними ділянками, на яких робочі камери з’єднуються з порожнинами всмоктування (на рис. 1.1 заштриховані) і нагнітання (заштриховані крапками). При обертанні приводного вала і з’єднаного з ним ротора по направленню стрілки об’єм робочих камер змінюється (за рахунок того, що R₁ > R₂), і камери послідовно з’єднуються з порожнинами нагнітання і всмоктування, що забезпечує подачу рідини із бака в гідросистему.

Будова і принцип роботи об’ємних насосів інших типів розглянуті в [1-4].

До основних параметрів будь-якого типу насоса належать:

– головний параметр насоса – робочий об’єм , який представляє собою сумарну зміну об’ємів робочих камер за один оберт приводного валу, тобто робочий об’єм насосу чисельно дорівнює об’єму нестискуваної рідини, що перекачується насосом за один оберт його приводного валу при відсутності витоків;

– робочий тиск , тобто тиск, який забезпечує насос протягом тривалої роботи;

– максимальний тиск , при якому допускається короткочасна робота насоса;

– ККД насоса

,

де – об’ємний ККД, який характеризує втрати енергії на витоки рідини; – гідравлічний ККД, який характеризує втрати енергії на місцевих опорах, каналах і робочих вікнах насоса; – механічний ККД, який характеризує втрати енергії на механічне тертя між деталями в насосі;

– потужність на виході насоса

;

– потужність на приводному валу насоса

.

Об’єм рідини, якій насос повинен нагнітати за одиницю часу при відсутності всіх витоків, називається теоретичною подачею (витратою, продуктивністю).

Теоретична подача

, (1.1)

де – частота обертання приводного валу насоса.

Фактична подача насоса завжди менше теоретичної подачі із-за об’ємних втрат :

, (1.2)

де ; – витоки через зазори між деталями насосу; – втрати на всмоктування, викликані неповним заповненням робочих камер рідиною, стискуванням рідини і знаходженням в рідині бульбашок нерозчиненого повітря.

Вказані об’ємні втрати у насосі характеризуються його об’ємним ККД, який представляє собою відношення фактичної подачі насоса до теоретичної:

(1.3)

або з врахуванням (1.1)

. (1.4)

Величина в залежності від типу і розміру насоса може знаходитись в межах 0,7...0,98.

Об’ємні втрати в насосі залежать від режимів його роботи (частоти обертання приводного валу, тиску на виході насосу).

Будова типової насосної станцій. Насосна станція гідропривода представляє собою агрегат, конструктивно об’єднуючий об’ємний насос, приводний електродвигун, апаратуру що керує роботою гідросистеми (клапани, розподільники), і пристрої, що забезпечують необхідну якість робочої рідини (фільтри, теплообмінники).

Розглянемо конструктивну схему (рис. 1.2) насосної станції Г48-21, що широко використовується у гідроприводах металоріжучих верстатів. Основним елементом станції являється насосна установка, що складається із асинхронного електродвигуна 4 і нерегульованого насоса 2. Насосна установка змонтована на кришці 3 бака 1 з робочою рідиною (мінеральним маслом).

Для підтримки температури масла в необхідних межах (50±10°С) насосна станція оздоблена системою повітряного охолодження. Ця система включає в себе вентилятор 5, встановлений на валу електродвигуна 4, і теплообмінник 6, встановлений на стінці бака 1.

Рис. 1.2. Конструктивна схема насосної станції типу Г48-21

Гідравлічна схема насосної станції Г48-21 показана на рис. 1.3. Масло, нагнітаєме насосом 6, потрапляє у гідросистему через фільтр грубої очистки 5. Масло що зливається із гідросистеми, і масло, що пройшло через запобіжний клапан 4, потрапляє через підпірний клапан 2 до радіаторів повітряного теплообміну 1. Частина масла зливається в бак через фільтр тонкої очистки 3.

Рис. 1.3. Гідравлічна схема насосної станції типу Г48-21

Основними параметрами, що характеризують роботу насосної станції, являються тиск на виході насосу і витрата рідини, що подається у гідросистему . Для розуміння принципу роботи насосної станції і гідропривода у цілому важливо встановити взаємозв’язок цих двох параметрів. Ця залежність, що представляє собою функцію виду

, (1.5)

називається статичною характеристикою насосної станції.

Графік такої характеристики показаний на рис. 1.4.

Рис. 1.4. Статична характеристика насосної станції

Вид залежності (1.5) визначається характеристиками двох основних агрегатів насосної станції:

насоса (1.6)

і запобіжного клапана . (1.7)

Графік залежності (1.5) у діапазоні допустимих тисків на виході насоса ( ) близький до прямої лінії, яка має невеликий нахил відносно вісі , викликаний об’ємними втратами . Якщо , об’ємні втрати помітно збільшуються і відчутно знижується ресурс роботи насоса, тому робота на таких тисках недопустима.

Графік характеристики (1.6) складається з двох відрізків прямих. Такий вид характеристики зумовлений тим, що в діапазоні тисків ( – тиск відкриття запобіжного клапану) клапан закритий, в зв’язку з чим на цій ділянці .

Якщо тиск перебільшить значення , то клапан відкриється і частина потоку масла буде зливатись через клапан в бак. При цьому виконується умова

.

Очевидно, що статична характеристика насосної станції являється спільною характеристикою насоса і клапана, тобто

.

Ця характеристика складається із двох прямолінійних ділянок, які називаються режимом постійної відповідно подачі (ПП) і тиску (ПТ) (див. рис. 3.3). У режимі ПП запобіжний клапан і вся подача потрапляє у гідросистему. При цьому . У режимі ПТ запобіжний клапан відкритий і підтримує на виході насоса приблизно постійний тиск ( ).

Режим роботи насосної станції вибирається в залежноті від призначення і конструкції гідропривода.

В цій лабораторній роботі пропонується експериментально визначити і проаналізувати статичну характеристику насосної станції Г48-21, виявити залежності величини об’ємних втрат і об’ємного ККД від тиску на виході насосу.

1.2 Стенд для проведення досліджень

Експериментальні дослідження характеристик об’ємних втрат насосу виконуються на спеціальному стенді, гідравлічна схема якого показана на рис. 1.5.

Стенд складається із насосної станції 1, що включає в себе асинхронний електродвигун 2, досліджуваний насос 4, запобіжний клапан 9, бак 10 з робочою рідиною, а також регульований дросель 6, гідромотор 7 і тахометр 8. Приводний вал насосу 4 з допомогою муфти 3 прикріплений до валу електродвигуна 2. Гідромотор 7 в комплекті з тахометром 8 використовується в якості датчика фактичної подачі насоса .

Гідросхема стенду працює при нормально закритому запобіжному клапані, тобто якщо тиск на виході насосу не перевищує максимально допустимого, весь потік рідини від насосу подається на регульований дросель і далі на гідромотор. Тиск на виході насосу встановлюється за допомогою регульованого дроселя 6.

Рис. 1.5. Гідравлічна схема стенда для проведення досліджень

Фактична подача насосу визначається по частоті обертання вала гідромотора:

, (1.8)

де – робочий об’єм гідромотора; – частота обертання вала гідромотора.

1.3 Пристрої і обладнання

1. Насосна станція, оснащена шестерним насосом НШ-32 з робочим об’ємом = 32 см³/об і асинхронним електродвигуном з частотою обертання = 1490 об/хв.

2. Регульований дросель ПГ-77.

3. Витратомір (аксіально-поршневий гідродвигун Г15-24Н з робочим об’ємом = 77 см³/об).

4. Манометр (клас точності 1,0).

5. Тахометр.

6. Рукава високого тиску.