1.2 Рабочие жидкости

Жидкость гидропривода – его рабочий элемент, поэтому к ней предъявляются требования обеспечения прочности и долговечности. Жидкость подвержена механическому и химическому разрушению, имеет ограниченный срок службы, причём он зависит от типа жидкости, режима и условий эксплуатации. Помимо этого жидкость служит смазывающим материалом, а также охлаждающей средой.

Рабочим жидкостям станочных гидроприводов должны быть присущи хорошие смазочные и антикоррозийные свойства, малое изменение вязкости в широком диапазоне температур, большой модуль упругости, химическая стабильность, совместимость с материалами гидросистемы, малая плотность, малая способность к растворению воздуха, хорошая теплопроводность, низкое давление паров и высокая температура кипения, наименьший коэффициент теплового расширения, негигроскопичность и незначительная взаимная растворимость с водой, большая удельная теплоёмкость, нетоксичность и отсутствие резкого запаха, прозрачность и наличие характерной окраски. Жидкость должна также иметь низкую стоимость и производиться в достаточном количестве.

В гидроприводах машин, предназначенных для работы в стабильных температурных условиях, обычно применяют рабочие жидкости минерального происхождения. Для работы в условиях широкого температурного диапазона от 333 до 213 К применяют специальные смеси минеральных масел. Для работы при температурах около 450…500 К применяют синтетические жидкости на кремне-органической основе.

1.3 Объёмные насосы

В объемном насосе перемещение жидкости осуществляется путем вытеснения её из рабочих камер вытеснителями. Под вытеснителем понимается рабочий орган насоса, непосредственно совершающий работу вытеснения. Вытеснителями могут быть поршни, плунжеры, шестерни, винты, пластины и т. д.

По принципу действия, точнее, по характеру процесса вытеснения жидкости, объемные насосы разделяют на поршневые (плунжерные) и роторные.

В поршневом (плунжерном) насосе жидкость вытесняется из неподвижных камер в результате лишь возвратно-поступательного движения вытеснителей (поршней, плунжеров, диафрагм).

В роторном насосе жидкость вытесняется из перемещаемых рабо­чих камер в результате вращательного или вращательно-поступательного движения вытеснителей (шестерен, винтов, пластин, порш­ней).

По характеру движения входного звена объемные насосы разде­ляют на вращательные (с вращательным движением входного звена) и прямодействующие (с возвратно-поступательным движением вход­ного звена).

К общим свойствам объемных насосов, которые обусловлены их принципом действия и отличают их от насосов лопастных, относятся следующие:

1) цикличность рабочего процесса и связан­ная с ней порционность и неравномерность подачи. Подача объемного насоса осуществляется не равномерным потоком, а порциями, каж­дая из которых соответствует подаче одной рабочей камеры;

2) герметичность насоса, то есть постоянное отделение на­порного трубопровода от всасывающего (лопастные насосы герметич­ностью не обладают, а являются проточными);

3) самовсасывание, то есть способность объемного насоса создавать вакуум во всасывающем трубопроводе, заполненном воз­духом, достаточный для подъема жидкости во всасывающем трубо­проводе до уровня расположения насоса. Высота всасывания жидко­сти при этом не может быть больше предельно допустимой. Лопаст­ные насосы без специальных приспособлений не являются самовса­сывающими;

4) жесткость характеристики, то есть крутизна ее в системе координат Н (или p) и Q, что означает малую зависимость подачи насоса Q от развиваемого им давления. Идеальная подача сов­сем не зависит от давления насоса (характеристики лопастных насо­сов обычно пологие).

5) независимость давления, создаваемого объем­ным насосом, от скорости движения рабочего органа насоса и ско­рости жидкости. В принципе при работе на несжимаемой жидкости объемный насос, обладающий идеальным уплотнением, способен создавать сколь угодно высокое давление, обусловленное нагрузкой, при сколь угодно малой скорости движения вытеснителей. Для полу­чения высоких давлений с помощью лопастного насоса требуются большие частоты вращения колеса и большие скорости жид­кости.

1.3.1 Величины, характеризующие рабочий процесс объемных насосов

Основной величиной, определяющей размер объемного насоса (объемного гидродвигателя) является его рабочий объем.

Рабочий объем насоса и частота его рабочих циклов определяют идеальную подачу.

Идеальной подачей объемного насоса называют подачу в единицу времени несжимаемой жидкости при отсутствии утечек через зазоры. Осредненная по времени идеальная подача:

,

где - рабочий объем насоса, т. е. идеальная подача насоса за один цикл (один оборот вала насоса);

n - частота рабочих циклов насоса (для вращатель­ных насосов частота вращения вала);

- идеальная подача из каждой рабочей камеры за один цикл;

z - число рабочих камер в насосе;

k - кратность дейст­вия насоса, т. е. число подач из каждой камеры за один рабочий цикл (один оборот вала).

Таким образом, рабочий объем насоса:

.

Чаще всего k=1, но в некоторых конструкциях k=2 и более.

Действительная подача насоса меньше идеальной вследствие уте­чек через зазоры из рабочих камер и полости нагнетания, а при больших давлениях насоса еще и за счет сжимаемости жидкости.

Отношение действительной подачи Q к идеальной называется коэффициентом подачи:

,

где - расход утечек;

- расход сжатия.

Когда сжатие жидкости пренебрежимо мало, коэффициент подачи равен объемному КПД насоса :

.

Полное приращение энергии жидкости в объемном насосе обычно относят к единице объема и, следовательно, выражают в единицах давления. Так как объемные насосы предназначены в основном для создания значительных приращений давления, то приращением кине­тической энергии в насосе обычно пренебрегают. Поэтому давление насоса представляет собой разность между давлением на выходе из насоса и давлением на входе в него:

,

а напор насоса

.

Полезная мощность насоса

.

Мощность, потребляемая заборным насосом (затрачиваемая приводящим двигателем),

,

где - момент на валу насоса;

- угловая скорость его вала.

КПД насоса есть отношение полезной мощности к мощности, потребляемой насосом

.

Подобно тому, как это принято для лопастных насосов, для объ­емных насосов различают гидравлический , объемный и ме­ханический КПД, учитывающие три вида потерь энергии: гидрав­лические — потери напора (давления), объемные — потери на пере­текание жидкости через зазоры и механические — потери на трение в механизме насоса:

,

то есть КПД насоса (общий) равен произведению трех частных КПД - гидравлического, объемного и механического.

1.3.2 Поршневые насосы

Конструктивная схема насосной установки с простейшим насо­сом такого типа представлена на рисунке 4. Рабочей камерой служит цилиндр 6, а вытеснителем — плунжер 8 с возвратно-поступатель­ным движением, которое ему сообщает кривошипно-шатунный меха­низм.

Система распределения, обеспечивающая соединение цилиндра попеременно с всасывающей (подводящей) 1 и напорной (отводя­щей) 3 линиями, состоит из всасывающего 11 и нагнетательного 5 клапанов. Клапаны являются самодействующими. При увеличении объема рабочей камеры (при цикле заполнения) в ней устанавли­вается давление меньшее, чем давление перед клапаном 11. Под действием возникшей разности давлений клапан поднимается, и камера заполняется жидкостью из всасывающей линии 1.

При уменьшении объема камеры (при цикле вытеснения), когда плунжер в нее вдвигается, давление в камере начинает повышаться, клапан 11 закрывается и, когда давление в камере достигнет зна­чения , большего, чем давление за клапаном 5, жидкость будет вытесняться через этот клапан в линию 3.

Отметим, что описанная смена циклов возможна только при усло­вии, что давление больше, чем (это соответствует работе такой гидромашины в качестве насоса).

Если подвести к линии 1 жидкость под высоким давлением, то плунжер под ее действием не начнет двигаться, так как клапаны допустят свободный проток жидкости в

Рисунок 4 - Схема поршневого насоса

с кривошипным приводом

линию 3, где давление меньше. Следовательно, использовать насос с самодействующими клапанами в качестве гидродвигателя невозможно, он необратим.

По конструкции вытеснителя поршневые насосы разделяют на собственно поршневые (рисунок 5) и плунжерные (рисунок 4). В поршневом насосе поршень 4 (см. рисунок 5) перемещается в гладкообработанном цилиндре 5. Уплотнением поршня служит сальник 3 (вариант I) или малый зазор (вариант II) со стенкой цилиндра. В плун­жерном насосе (см. рисунок 4) гладкий плунжер перемещается в рабочей камере свободно, а уплотнение 7 размещено

Р исунок 5 - Схема поршневого насоса

с дифференциальным поршнем

неподвижно в корпусе камеры. Так как точная обработка внутренних поверхностей более трудоемка, чем внешних, а доступность ремонта и замена неподвижного наружного уплотнения более просты, чем подвижного внутреннего, плунжерные насосы всегда предпочтительнее, чем поршневые, если особые конструктивные и эксплуатационные требования не исключают их применения. Как указывалось, в дальнейшем оба типа насосов, несмотря на различие в форме вытеснителей, будут именоваться поршневыми.

1.3.3 Насосы пластинчатые нерегулируемые

Основными деталями насосов являются корпус с крышкой, приводной вал с подшипниками и рабочий комплект (рисунок 6, а), состоящий из распределительных дисков / и 7, статора 3, ро­тора 4 и пластин 5. Диски и статор, зафиксированные в угловом положении относительно корпуса штифтом 9, прижимаются друг к другу пружинами (не показаны), а также давлением масла в на­порной линии. При вращении ротора 4, связанного через шлицевое соединение с приводным валом, в направлении, указанном стрелкой, пластины 5 центробежной силой и давлением

Рисунок 6 - Рабочий комплект (а)

и конструкция пластинчатого насоса (б)

масла, подведенного в отверстия 11, прижимаются к внутренней поверх­ности 10 статора 3, имеющей форму овала, и, следовательно, совершают возвратно-поступательное движение в пазах ротора.

Во время движения пластин от точки А до точки В и от С до D объемы камер, образованных двумя соседними пластинами, внутренней поверхностью статора, наружной поверхностью ро­тора и торцовыми поверхностями дисков / и 7, увеличиваются, и масло заполняет рабочие камеры через окна 2 и 12 диска /, связанные со всасывающей линией. При движении в пределах участков ВС и DA объемы камер уменьшаются, и масло вытесня­ется в напорную линию гидросистемы через окна 6 и 8 диска 7. Поскольку зоны нагнетания (ВС и DA) и всасывания (АВ и CD) расположены диаметрально относительно ротора, на него не действуют радиальные усилия, что положительно сказывается на долговечности подшипников приводного вала.

Конструкция насоса показана на рисунке 6, б. В расточках корпуса 15 и крышки 1 установлен рабочий комплект (диски 3 и 7, статор 5, ротор 6, пластины 16). Ротор через шлицевое соеди­нение связан с приводным валом 11, опирающимся на шарико­подшипники 2 и 8. Наружные утечки или подсос воздуха по валу исключаются манжетами 10, установленными в расточке фланца 9. Комплект сжимается тремя пружинами 12 и давлением масла в камере 13. Окна 4 диска 3 через отверстия 17 статора соединены с глухими окнами всасывания 14 диска 7, благодаря чему масло из всасывающей линии поступает в ротор с двух сторон, что облег­чает условия всасывания. В напорную линию масло вытесняется через окна 19 диска 7. Поворот комплекта предотвращается штиф­том 18 (или винтами), проходящими через отверстия в деталях 1, 3, 5, 7 и 15.

1.3.4 Шестеренные гидромашины

Благодаря простоте конструкции шестеренные гидромашины получили очень широкое распространение в качестве нерегулируе­мых насосов, применяемых для питания гидропередач небольшой мощности с дроссельным управлением, для подачи смазки, для пи­тания систем управления.

Рисунок 7 - Шестеренный насос

Шестеренная гидромашина распространенного типа с наружным зацеплением (рисунок 7) представляет собой пару чаще всего одина­ковых шестерен 1 и 9, находящихся в зацеплении и помещенных в камеру, стенки которой охватывают их со всех сторон с малыми зазорами. Камеру образуют корпус 15 и боковые диски 2 и 14. По обе стороны области зацепления 6 в корпусе имеются полости А и Б, соединенные с линиями высокого и низкого давления. Пере­качиваемая из полости А жидкость заполняет впадины между зу­бьями и перемещается в полость Б, где вытесняется в линию с давлением .