Гидронасосы.

Основные определения и классификация.

Насосами называют машины для создания напорного потока жидкой среды. Этот поток создается в результате силового воздействия на жидкость в проточной полости или рабочей камере насоса.

По характеру силового воздействия на жидкость различают динамические и объемные гидронасосы.

Динамическим называется насос в котором силовое воздействие на жидкость осуществляется в проточной камере, постоянно сообщающейся со входом и выходом насоса.

Объемными (гидростатическим) называются гидронасосы, у которых перемещение жидкости осуществляется путем вытеснения ее из рабочих камер вытеснителями различных типов.

Рабочей камерой гидрообъемного насоса называется замкнутый объем, попеременно сообщающийся с входом и выходом насоса.

Рабочим объемом насоса называют разность между наибольшим и наименьшим значением объема рабочей камеры.

По некоторым конструктивным признакам динамические и объемные насосы делят на следующие виды:

Объемные гидронасосы классифицируются по следующим признакам: по типу применяемого вытеснителя и по характеру движения вытеснителей.

По типу применяемого вытеснителя объемные гидронасосы и гидродвигатели делятся на:

Классификация по типу движения вытеснителей приведена на рис.

 

Поршневые гидронасосы.

Поршневые гидрообъемные насосы и двигатели могут быть выполнены одностороннего, либо двухстороннего действия.

Схема поршневого насоса одностороннего действия приведена на рис.

Поршневой насос одностороннего действия работает следующим образом: при вращении кривошипа 4 поршень 3 совершает возвратно-поступательное движение. За один оборот кривошипа поршень совершает один всасывающий и один нагнетательный ход. Всасывание жидкости происходит через клапан 1, а вытеснение жидкости через клапан 2.

На рис. приведена схема одноцилиндрового гидронасоса двухстороннего действия. Гидронасос данного типа имеет две рабочие камеры, расположенные по обе стороны поршня: штоковую – со стороны штока и бесштоковую – с противоположной стороны. Поэтому за один оборот кривошипа (двойной ход поршня) гидронасос совершает два всасывающих и два нагнетательных хода.

Действие поршневого насоса двухстороннего действия.

Роторные радиально-поршневые гидронасосы.

Роторные радиально-поршневые гидромашины могут использоваться как в качестве гидронасосов с постоянной и переменной подачей, так и в качестве гидродвигателей вращательного движения с постоянным и переменным крутящими моментами.

Принципиальная схема регулируемого радиально-поршневого гидронасоса показана на рис. Она состоит из статора 1, в котором эксцентрично установлен ротор 2. В радиальных расточках ротора установлены поршни 3, опирающиеся своими сферическими головками на статорное кольцо. Число поршней с целью улучшения равномерности подачи обычно выбирают нечетным в количестве 5 – 7 реже 9 в одном ряду.

Так как центры окружностей ротора и статора смещены относительно друг друга, то при вращении ротора поршни скользя своими сферическими головками по статорному кольцу, получают возвратно-поступательное движение, совершая за каждый оборот ротора один всасывающий ход и один нагнетательный. Всасывание и нагнетание жидкости производится через каналы 4 и 5, расположенные в распределительной цапфе 6. Кинематической основой радиально-поршневой гидромашины является преобразованный кривошипно-шатунный механизм, в котором расстояние между центрами ротора и статора, называемом эксцентриситетом е соответствует радиусу кривошипа. Регулирование подачи и реверсирование насоса при постоянной частоте вращения ротора может быть произведено путем изменения величины или знака эксцентриситета е.

Действие роторного радиально-поршневого гидронасоса.

 

Аксиальные роторно-поршневые гидронасосы.

Роторно-поступательный насос, в котором вытеснители имеют форму поршней (плкнжеров), а рабочие камеры ограничиваются вытеснителями в цилиндрических полостях ротора, называются роторно-поршневыми.

Роторно-поршневой насос, у которого ось вращения ротора параллельна осям рабочих камер и вытеснителей или составляет с ними угол менее 45 градусов называется аксиальным. Аксиальные роторно-поршневые гидронасосы бывают двух разновидностей: с наклонной шайбой и с наклонным блоком.

В гидронасосах с наклонной шайбой головки поршней 2 опускаются на неподвижную наклонную шайбу 3. Число поршней обычно выбирается 5 – 9. Схема такого насоса приведена на рисунке.

При вращении ротора (в случае работы в режиме насоса) поршни, скользя своими головками по наклонной шайбе 3, совершают возвратно-поступательное движение. При движении поршня в сторону шайбы совершается всасывающий ход, при обратном движении – нагнетательный.

Всасывание и нагнетание жидкости производится через неподвижный распределительный золотник 4, в котором сделаны два серповидных углубления, одно из которых соединено с всасывающим трубопроводом, а другое с нагнетательным. При вращении ротора рабочие камеры попеременно сообщаются то с линией всасывания, то с линией нагнетания, либо замыкаются между собой в моменты, когда выходные каналы из рабочих камер оказываются в перемычках между серповидными углублениями.

Модификацией аксиального роторно-поршневого насоса с наклонной шайбой является насос приведенный на рисунке. В этом насосе поршни шарнирно связаны с наклонным блоком, что исключает возможность отрыва поршней от диска.

 

В аксиальных роторно-поршневых гидронасосах с наклонным блоком поршни соединяются с приводным наклонным диском с помощью шатунов. Поэтому при вращении наклонной шайбы, вместе с ней вращается и ротор, а поршни при этом совершают возвратно-поступательное движение. Передача крутящего момента на ротор осуществляется шатунами 4, входящими внутрь поршней 6.

Среди аксиальных роторно-поршневых насосов с наклонным блоком большое распространение получили насосы с двойным несиловым карданом. Схема такого насоса приведена на рисунке.

У данного насоса упорный диск 1, жестко связан с валом 6, шарнирно связан со сферическими головками шатунов 2. Другие сферические головки этих шатунов шарнирно заделаны в поршнях 3, которые совершают возвратно-поступательное движение в блоке цилиндров (роторе) 4. Последний приводится во вращение от вала 6 через двойной кардан 7. Подводящий и отводящий трубопроводы присоединяются к неподвижному распределителю 5. При изменении наклона распределителя относительно вала 6 изменяется ход каждого поршня, а следовательно и рабочий объем насоса.

Для всех аксиально-поршневых насосов характерно торцевое распределение жидкости, т.е. наличие устройства, обеспечивающего попеременное сообщение рабочих камер с полостями всасывания и нагнетания насоса, а также замыканием рабочих камер в промежуточные моменты. Изменение рабочего объема, а следовательно и производительности в регулируемых аксиально-поршневых насосах осуществляется изменением угла наклона блока цилиндров или диска, которое может выполняться вручную или автоматически в зависимости от давления насоса.

 

Роторно-пластинчатые гидронасосы.

Роторно-пластинчатые гидромашины благодаря малым размерам, высокому к.п.д. и удобству компоновки широко применяются в гидроприводах станков и других машин и механизмов. По кратности действия роторно-пластинчатые гидромашины могут быть выполнены одно –, двух – и многократными. Гидромашины однократного действия могут быть выполнены регулируемыми и нерегулируемыми, двух – и многократного действия только нерегулируемыми.

Основными частями машины однократного действия является статор 3, внутри которого с эксцентриситетом установлен ротор 2, представляющий собой цилиндр с прорезями (пазами), расположенными либо радиально, либо с небольшим наклоном вперед по отношению к направлению вращения. В прорезях помещаются пластины 3, которые при вращении ротора под воздействием центробежных сил могут совершать относительно ротора возвратно-поступательное движение и прижиматься к внутренним стенкам статора. Число пластин для улучшения равномерности подачи нагнетаемой жидкости в случае работы в режиме насоса рекомендуется брать кратным четырем. В статоре вырезаны окна 4 и 5, соединенные с подводящим и отводящим трубопроводами. Для разобщения подводящей полости от отводящей в статоре предусмотрена перемычка, ширина которой по дуге окружности статора несколько больше соответствующего расстояния между пластинами.

Рабочие камеры в гидромашинах рассматриваемого типа ограничены с двух сторон соседними пластинами и поверхностями ротора и статора. С торцов уплотнение осуществляется дисками, один из которых может быть плавающим, с поджатием к ротору давлением жидкости.

Пластинчатые гидромашины обратимы. Однако большинство насосов этого типа без изменения их конструкции не могут быть использованы в качестве гидромоторов. Это объясняется тем, что у насосов во избежания заклинивания пластины обычно устанавливаются наклоненными вперед, а у гидромоторов из-за переменности направления вращения пластины могут устанавливаться только радиально. Кроме того, по мере снижения частоты вращения гидромотора центробежная сила, прижимающая пластину к статору, может оказаться недостаточной. Поэтому должны быть приняты меры для принудительного выдвигания пластин, например, установлены пружины. Регулирование подачи и изменение направления подачи (реверс) у гидромашин данного типа может осуществляться изменением величины и знака эксцентриситета.

Шестеренные гидронасосы.

Шестеренные гидромашины выполняются с шестернями внешнего и внутреннего зацеплений. Гидромашины с внутренним зацеплением имеют лучшие технические показатели, но сложны в изготовлении. Поэтому наибольшее распространение имеют гидромашины с внешним зацеплением, используемые в качестве, как насосов, так и гидродвигателей. Шестеренный насос (рис.14) состоит из двух цилиндрических одинаковых шестерен, помещенных в плотно охватывающий их корпус. Одна из шестерен (2) является ведущей, другая (3) – ведомой. При вращении шестерен жидкость забирается впадинами между зубьями на всасывающей стороне насоса и выжимается из впадин уже на противоположной, нагнетательной стороне. Чтобы избежать чрезмерного роста давления при сжатии жидкости оставшейся во впадине между зубьями и возникновения вакуума при выходе зуба из впадины на боковых поверхностях корпуса против места контакта зубьев делают специальные пазы для отвода запертой жидкости. В других конструкциях для этой цели сверлят радиальные отверстия во впадинах и зубьях ведомой шестерни, а в ее неподвижной оси – специальные каналы против места контакта зубьев.

Шестерни чаще всего применяются с прямыми зубьями эвольвентного профиля и малым числом зубцов 8 – 16, но могут применяться также косозубые и шевронные шестерни. Выгодным является использоваие шестерен с малым числом зубьев, так как при этом уменьшаются габариты и вес насоса.

 

Винтовые насосы.

Винтовую гидромашину можно рассматривать как шестеренную с косозубыми шестернями, число зубьев которой уменьшено до числа заходов винтовой нарезки. Гидромашины этого типа компактны, имеют высокий к.п.д., высокооборотны, могут работать как в режиме гидронасоса, так и в режиме гидромотора. При работе в режиме насоса они выделяются равномерной подачей, бесшумностью в работе и могут развивать высокий напор. Гидромоторы данного типа имеют на выходном валу равномерный крутящий момент.

Насосы в зависимости от числа винтов бывают одно -, двух -, трех- и многовинтовыми. Наибольшее распространение имеют трехвинтовые насосы с циклоидным зацеплением.

Схематически устройство двухвинтового насоса показано на рисунке. Он состоит из двух винтов с нарезками разного направления, один из которых является ведущим, а другой – ведомым.

При вращении винтов винтовые зубья в полости всасывания раскрывают впадины, которые заполняются жидкостью, поступающей из всасывающего патрубка. По мере дальнейшего вращения винтов поступившая в винтовые канавки жидкость отделяется от всасывающей полости и переносится вдоль оси винта в нагнетательную полость. Для надежного отделения полости всасывания от полости нагнетания длина винта должна быть больше шага нарезки. В насосах высокого давления число перекрытий, называемых ступенями, принимается из расчета, чтобы перепад давлений на каждой ступени был не более 2…3 МПа.

Центробежные гидромашины.

В отличие от всех выше перечисленных центробежные насосы являются гидродиниическии насосаи. Основным элеентом центробежного насоса является рабочее колесо приводимое от внешнего источника. Преобразование механической энергии вращения насосного колеса в кинетическую энергию жидкости происходит в результате динаического взаимодействия лопастей насоса с протекающей через него жидкостью.

В насосе показанном на рисунке, жидкость подводится к центру рабочего колеса 1 и под воздействием центробежной силы отбрасывается к периферии.

При этом происходит повышение энергии жидкости, поступившей на колесо, а во всасывающей трубе создается разрежение. Пройдя рабочее колесо, жидкость поступает далее в отводной канал или улитку 2, где ее кинетическая энергия преобразуется в статический напор.

Лопастной гидродвигатель (турбина) по конструкции аналогичен гидронасосу, и отличается от него тем, что в нем кинетическая энергия жидкости преобразуется в механическую, а не наоборот, как у гидронасоса.

Центробежные насосы классифицируются по следующи признакам: