Роторно-поршневые насосы.

Основные характеристики и параметры насосов.

Общие сведения о гидромашинах.

Выбор рабочих жидкостей и правила их эксплуатации

Рабочие жидкости, применяемые в машиностроительном гидроприводе

Основные понятия и определения. Классификация О.Г.П.

 

Объемным Г.П. (ГОСТ 17752-81) называется привод, содержащий гидравлический механизм, в котором рабочая жидкость находится под давлением, с одним или более объемными гидродвигателями.

Объемная гидропередача – часть насосного гидропривода без приводящего двигателя. Основой объемной гидропередачи являются две гидромашины (насос и гидродвигатель), гидроаппаратура, рабочая жидкость, гидролинии.

В качестве приводящего двигателя в насосных гидроприводах в основном применяются электродвигатели, но в мобильных машинах применяются дизели, двигатели внутреннего сгорания и т.д. Гидролинии которые соединяют состовляющие гидропередачи делятся на всасывающие, напорные, сливные, управления, и дроссельные.

Эксплуатационные характеристики гидропривода определяются параметрами рабочей жидкости, которая является носителем энергии. Рабочая жидкость должна соответствовать следующим требованиям: надёжно выполнять функции в требуемом диапазоне температур (0 до 700с) и давлений (0 до 100 МПа), иметь оптимальную вязкость. Определяющим при выборе вязкости является давление и диапазон рабочих температур. Рабочая жидкость должна обладать высокой химической стабильностью, должна быть без механических примесей, максимальный размер которых определяется требованиями к гидроприводам. Рабочая жидкость должна соответствовать экологическим требованиям, т.е. быть безвредна для окружающей среды.

В соответствии с указанными требованиями в гидроприводах технологического оборудования могут использоваться четыре вида рабочей жидкости:

· а) минеральные масла на нефтяной основе;

· б) синтетические рабочие жидкости;

· в) водо-полимерные;

· г) водоэмульсионные.

Наиболее полно указанным требованиям удовлетворяют минеральные масла. Их свойства могут быть изменены введением присадок. Из минеральных масел в гидроприводах используются:

· индустриальные масла (И12, И30,И40...);

· турбинные (Т22, Т30, Т40...);

· масло гидравлическое единое (МГЕ10А, МГЕ32В, МГЕ46В);

· авиационные масла (АУ12, АУ14).

Цифра в обозначении указывает на численное значение вязкости - кинематической вязкости при t =500С в сантистоксах или мм2/с (n50=...cСТ (мм2/с)). Для технического оборудования нормальная температура составляет 500С. В случае если повышение температуры не влияет на точность обработки, нормальной температурой может быть t=70-750С.

С 1987г ГОСТом 17794-87 устанавливается новое обозначение индустриальных масел, в которое входит три буквы и две цифры. Первая буква И - принадлежность к индустриальным маслам. Вторая - принадлежность к группе по назначению (Г - гидравлическое, Л - легко нагруженное, Н - нормально нагруженное, Т - тяжело нагруженное). Третья буква обозначает принадлежность к группе по эксплуатационным свойствам (А - повышенная степень очистки, В - тоже, что и А плюс антифрикционные присадки, С - тоже, что и В плюс антиокислительные присадки, Д - тоже, что и С плюс антипенные присадки и т.д.). Две цифры после букв указывают класс кинематической вязкости (коэффициент n45 ИСО).

2. Синтетические рабочие жидкости.

Используются в ответственных условиях эксплуатации гидроприводов. Их основу составляют продукты, полученные в результате химической реакции. Широко применяют жидкости на основе силиконов или фосфатов. Достоинство их состоит в возможности работы в зоне более широкого диапазона температур (до 3000С). Они удовлетворяют требованиям взрыво- и пожаробезопасности. Их свойства корректируются присадками. У синтетических рабочих жидкостей - более высокий срок службы, но они дороже(>20 US$).

3. Водо-полимерные рабочие жидкости - водный раствор различных полимеров (вода составляет до 35%).

ПГВ - водный раствор глицерина и этиленгликоля. В технологическом оборудовании используется редко.

4. Эмульсионные рабочие жидкости - смесь воды и минеральных масел. Применяются в системах СОЖ.

В гидроприводе технологического оборудования используются главным образом минеральные масла вязкостью 10-175 сСт. Определяющим при выборе рабочей жидкости является выбор ее вязкости, т.к. остальные спец. свойства (смазывающая способность, антикоррозионная способность) у них близки, а при необходимости могут быть усилены введением присадок. При выборе рабочей жидкости малой вязкости уменьшаются потери на трение, но возрастают объемные потери, т.е. утечки рабочей жидкости через уплотнения и соединения. Это приводит к уменьшению общего КПД гидропривода. Если применять рабочую жидкость большей вязкости, то, наоборот, объемные потери уменьшаются, а гидравлические потери (потери на преодолении сил трения) увеличиваются. Это тоже приводит к снижению суммарного КПД. В связи с этим вязкость рабочей жидкости должна быть оптимальной. Факторами выбора являются рабочий диапазон давления и рабочий диапазон температур.

Технологическими требованиями на условия эксплуатации станков и другого технологического оборудования установлено, что нормальная температура составляет 50-55^о С, в тех случаях, когда температура не оказывает существенного влияния на точность, нормальная - 70^о С.

Опытом практической эксплуатации гидропривода установлены следующие рекомендации:

Давление	Вязкость
при Р £ 3 МПа	V50=10-20 сСт
при Р £ 7 МПа	V50=20-40 cCт
при 7 < Р £10 МПа	V50=40-60 сСт
при 10 < Р £ 20 МПа	V50=60-120 сСт
при 20 < Р £ 50 МПа	V50=140-180 сСт

Рекомендуемые диапазоны температур окружающей среды для минеральных масел, используемые в гидроприводе:

Масло	Температура
И-Л-А 22 (И 12)	-10 - +40
И-Г-А 30 (И 20)	+10 - +60
И-Г-А 40 (И 50)	+10 - +70
Т22	+5 - +50
АНГ 10	-60 - +100
АУ 12	-40 - +60

Кроме этого, при выборе вязкости рабочей жидкости следует учитывать быстродействие гидромашин (насосов или гидромоторов). В быстроходных гидромашинах рекомендуется применять рабочие жидкости малой вязкости, в тихоходных - более вязкие рабочей жидкости. В приводах поступательного перемещения, работающих при Р £ 3 МПа и относительных скоростях скольжения более 8 м/с рекомендуется применять масла вязкостью 10-20 сСт. В этих же приводах при давлении до 20 МПа рекомендуется применять масло вязкостью 30-45 сСт.

Правила эксплуатации рабочей жидкости.

Сроки замены рабочей жидкости определяются конструктивными особенностями гидропривода, стабильностью свойств рабочей жидкости и рабочим диапазоном температур.

Принято считать, что замену масла следует производить, если его вязкость изменилась более чем на 20% от первоначальной при той же температуре. При этом следует учитывать следующие рекомендации:

· минеральные масла высокой степени очистки (в обозначении марки присутствует -А-)- замена производится 1 раз в 2 года;

· минеральные масла меньшей степени очистки меняются 1 раз в 6 месяцев;

· замена масла проводится независимо от срока эксплуатации, при его загрязнении механическими частицами, которые не могут быть отфильтрованы, а содержание воды в рабочей жидкости составляет более 0,2%.

В роторных гидромашинах рабочие элементы, образующие рабочие камеры, совершают вращательное или вращательно-возвратно-поступательное движения. Роторные гидромашины имеют три основных элемента: ротор, статор и замыкатель. Замыкатель – рабочий элемент, герметично соприкасающийся со статором и ротором и разделяющим приемную и отдающие камеры. Рабочая камера – пространство объемной гидромашины, ограниченная рабочими поверхностями рабочих элементов, периодически изменяющая свой объем и попеременно сообщающееся с каналом всасывания и нагнетания. Гидромашины разделяют по возможности регулирования рабочего объема на – регулируемые и нерегулируемые; по направлению потока – с постоянным и реверсивным потоком; по числу рабочих циклов, совершающих за один оборот вала – одно – двух и многократные; по конструкции рабочих элементов – на шестеренные, пластинчатые и поршневые. Роторные гидромашины, кроме машин с клапанным распределителем, в принципе могут работать в режиме как насосов, так и гидроматора, т.е. являются обратимыми. В общем случае различают 2 типа насосов: объемные и лопастные (центробежные и осевые). Рабочим органом лопастной гидромашины является вращающееся рабочее колесо с лопастями. Энергия передается за счет динамического взаимодействия лопастей колеса и обтекающей их жидкостью. За счет центробежных сил жидкость или газ вытесняется их рабочих камер 5 в полость нагнетания, создавая разряжение, а значит всасывание рабочей жидкости в полость 1 за счет скоростного напора. Объемные гидромашины (поршневые, шестеренные и т.д.) работают за счет изменения объема рабочих камер, периодически соединяющихся с всасывающим и нагнетающим патрубками. Рабочий цикл объемного насоса состоит из трех основных элементов:

1. Создание разряжения (вакуума) в рабочей камере за счет увеличения ее объема и как следствие всасывания жидкости.

2. Замыкание рабочей камеры и перенос ее из зоны всасывания в зону нагнетания.

3. Вытеснение рабочей жидкости из камеры за счет уменьшения объема рабочей камеры.

В объемном насосе напорная линия всегда должна быть герметично отделена от всасывающей, в отличие от лопастных насосов (динамических), в которых давление обеспечивается за счет скоростного напора.

 

 

Основными характеристиками (параметрами) насосов являются: номинальные - рабочий объем, подача, давление, перепад давлений, мощность, а также частота вращения, КПД, коэф. подачи и т.д. Функциональная зависимость между определенными параметрами при неизменных остальных называют характеристикой гидромашины. Например для насосов при постоянной частоте вращения определяют следующие функциональные зависимости: Q=f(p), Nп=f(p), K_Q=f(p),h=f(p)

Q - подача

Nn – полезная мощность.

K_Q – коэффициент подачи

h - КПД насоса.

 

Номинальным рабочим объемом V_H называется расчетное рабочего объема вычисленное без учета погрешностей изготовления и округленное до стандартного значения (ГОСТ 13824-80).

Номинальным давлением Р_ном называется наибольшее установленное значение давления рабочей жидкости при котором гидромашина должна работать в течении установленного срока службы и сохранять свои параметры. (Ряд давлений ГОСТ 12445-80).

 

Перепад давлений – разность давлений на выходе и входе насоса, (и наоборот Г.М.)

Номинальная частота вращения n_H большая частота вращения, при которой гидромашина должна работать в течении заданного значения долговечности с сохранением основных параметров в пределах заданных норм Q – л/мин V_H – см³ (мин^-1).

Объемная подача насоса это отношение объема подаваемой рабочей жидкости ко времени. Различают теоретическую и фактическую подачу Q_теор=10^-3 V_H*n [л/мин] (V_H – см³ n – мин^-1).

Фактическая подача меньше теоретической на величину объемных потерь DQ Q_Ф=Q_Т - DQ

Номинальную подачу определяют при номинальных значениях частоты вращения рабочего объема и давления на выходе.

Объемные потери – уменьшение фактической подачи насоса вследствие утечек и перетока рабочей жидкости через зазоры рабочих камер, неполного замыкания рабочих камер и т.д.

Полезная мощность N_п [Вт] - это гидравлическая мощность потока рабочей жидкости на его выходе. N_n=Qp (Q – м³/с, р - Па) , .

 

КПД - гидромашины характеризует степень ее совершенства и показывает, какая часть энергии используется полезно.

КПД насоса - отношение полезной мощности Nn к потребляемой N. Q – л/мин, Р- МПа, М- Н*М, n – мин^-1.

Для оценки величин объемных потерь насоса существует понятие объемного КПД. ,

где - коэффициент объемных потерь.

Часть мощности, подаваемая на вал гидроматора расходуется на преодоление механических сопротивлений т.е. на трение в подшипниках и уплотнительных устройствах и на трение рабочих элементов насоса исходя из этого вытекает понятие механического КПД ,

где N – подводимая мощность,

Ni – мощность которая передается Р.Ж. Вт.

Полезная мощность насоса на выходе если Q_действ меньше теоретического на величину DQ то Р_действ меньше Р_Т на величину DР, потери давления DР которые происходят в насосе при прохождении рабочей жидкости через его каналы выражает гидравлический КПД.

Другими словами можно сказать, что полный КПД насоса может быть выражен как произведение механического, объемного и гидравлического КПД. , т.е. потребляемая мощность теряется именно на эти сопротивления. Баланс мощности объемного насоса можно выразить диаграммой.

 

Насосы.

 

В машинном Г.П. могут использоваться следующие типы роторных насосов:

1. Шестеренные

2. Героторные

3. Винтовые

4. Пластинчатые

5. Роторные – поступательного действия:

1. Радиально – поршневые.

2. Аксиально – поршневые

Шестеренные насосы – роторный насос с рабочим элементом в виде шестерен, которые обеспечивают замыкание рабочих камер насоса.

Принцип работы: Ш.Н. внешнего зацепления состоит из 2-х зацепляющихся между собой шестерен размещенных в общем корпусе. Шестерни имеют модуль и число зубьев, одна из них является приводной т.е. вращается от двигателя.

в – полость всасывания.

а - полость нагнетания.

Вследствие вращения шестерен освобождаются впадины между зубьями. В результате этого в полости впроисходит разряжение и осуществляется процесс всасывания. В дальнейшем рабочая жидкость за счет вращения шестерен переносится в полость агде вытесняется из впадины, входящим в нее зубом другой шестерни. Происходит процесс нагнетания рабочей жидкости. Т.к. число зубьев обеих шестерен одинаково то объем рабочей жидкости подводимой за один оборот равен объему кольца жидкости по среднему диаметру, и равен диаметру делительной окружности шестерни , толщиной равной высоте зуба h и шириной равной ширине зубчатого венца.

V₀=p D_cp h b =2,25 p m² Z b » 7 m² Z b,

где D_cp=mZ ,

h=2,25m.

Q_T=V₀n=7 Zm²bn

Q=7*10⁶m²Zbnh (л/мин).

Производительность шестеренчатого насоса – 5 – 125 л/мин, рабочее давление – 6,3 МПа. Основная область применения: системы смазки и системы подачи СОЖ. Наряду с насосами наружного зацепления в последнее время начали применять насосы с внутренним зацеплением, которые при одинаковых рабочих объемах по габаритам значительно меньше первых, уровень шума ниже. Разновидностью шестеренчатых насосов внутреннего зацепления являются героторные насосы - насосы с двумя вращающимися рабочими органами, по принципу работы и конструкции они похожи на насосы внутреннего зацепления.

Пластинчатые -роторные насосы с рабочим звеном в виде пластин. Пластины размещены в пазах. Рабочая камера создается 2-мя соседними пластинами рабочей поверхности статора или ротора и 2-х боковых крышек. Пластинчатые насосы могут быть 2-х типов: 1 однократного, 2 двукратного действия.

В неподвижный статор 1 размещается подвижный ротор 2, в радиальных пазах которого размещены пластины 3. При вращении ротора объем рабочей жидкости, заключенный между двумя между двумя пластинами и 2-мя торцевыми крышками, сначала увеличивается т.е. происходит процесс всасывания, а затем объем рабочих камер начинает уменьшаться – происходит процесс нагнетания. Изменение объема рабочих камер происходит из-за наличия эксцентриситета е между осью вращения ротора и осью статора.

Пластины установленые в пазах ротора, могут иметь радиальное расположение или могут быть наклонены всторону вращения на 3-5⁰ . При увеличении рабочего объема рабочих камер (от 0 до 180⁰) пластины выходят из пазов ротора, а при дальнейшем вращении (от 180⁰ до 360⁰) пластины перемещаются во внутрь ротора.

Достоинства: возможность регулирования подачи, осуществляется за счет изменения е – смещение оси.

Недостатки: наличие больших односторонних нагрузок действующих на ротор.

РАбочий объем пластинчатого насоса:

V₀=2e(2pR-VZ)b

где R – радиус внутренней расточки статора,

Z – число пластин (нечетное количество для увеличения подачи Р.Ж.)

V и b – толщина и ширина пластин соответственно.

Q_T=V₀n=2e(2pR-VZ)bn данные зависимости справедливы для однопоточных насосов с радиальным расположением пазов в роторе и соответственно пластин. Для предотвращения отгибания пластины, в некоторых конструкциях их распологают под углом b.

При наличие угла наклона b Q_T=2e(2pR-VZ/cosb)bn 10^-3(см³)

 

В роторно-поршневых насосах рабочим элементом является поршень либо плунжер.

Для подачи рабочей жидкости под давлением 20-50 МПа применяются поршневые насосы. Высокое давление, развиваемое ими обясняется меньшим количеством рабочих элементов, образующих рабочие камеры и возможностью более точного их изготовления.

Можно выделить два типа насосов: радиально-поршнев;аксиально-поршневые.